Heidelberg / Stuttgart / Metropolregion Rhein-Neckar(red/ak/Ministerium für Wissenschaft, Forschung, und Kunst) – Auf der Grundlage seiner allgemeinen Relativitätstheorie wies Albert Einstein nach, dass Licht durch die Schwerkraft abgelenkt wird, weil es Bahnen folgt, die sich in der Nähe von massiven Objekten krümmen. Wenn die Massendichte des ablenkenden Objekts einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, kann das Licht über ver-schiedene gekrümmte Bahnen am Objekt vorbeiziehen, so dass mehrere, stark verzerrte Bilder der Quelle beobachtet werden. Dieser Effekt wird als starker Gravitationslinseneffekt bezeichnet.
Seit 40 Jahren erlauben Beobachtungen von starken Gravitationslinseneffekten, die Verteilung von Dunkler Materie in Galaxien und Galaxienhaufen zu untersuchen. Die Schwierigkeit besteht nun darin, dass man zur genauen Rekonstruktion der Gravita-tionslinse die Quelle der beobachteten Bilder kennen müsste. Diese ist jedoch hinter der Linse verborgen und damit unsichtbar für uns. Zum anderen bestehen Gravitati-onslinsen selbst meist zu einem Großteil aus Dunkler Materie, die wir noch nicht di-rekt beobachten können. Die Lösung dieses Huhn-Ei-Problems wird dadurch er-schwert, dass uns nur wenige, im Bereich der Linse dünn verteilte, verzerrte Bilder vorliegen. Der Mangel an verfügbaren Messdaten wird gewöhnlich durch das Hinzu-fügen von Modellannahmen kompensiert, die auf Simulationen oder Beobachtungen
von anderen Galaxien beruhen. Im Ergebnis lässt sich so nur die wahrscheinlichste Form, Farbe, etc. des Hintergrundobjekts oder die wahrscheinlichste Zusammensetzung und Form einer Gravitationslinse bestimmen.
Rekonstruktion von Gravitationslinsen auf der Basis verlässlicher Daten
„Die Schaffung solcher Voraussetzungen oder Annahmen ist ein Problem“, erklärt Jenny Wagner: „Denn es bleibt immer ein Restzweifel, ob die Modellannahmen der Realität entsprechen. Zumal auch die Annahmen unsere Interpretation der Daten immens beeinflussen.“ Dieser Restzweifel in einer modellbasierten Kosmologie hat Jenny Wagner dazu inspiriert, einen anderen Weg zu gehen: den der beobachtungs-basierten Kosmologie. Dieser Ansatz ist nicht neu (er stammt aus den 1980er-Jahren), aber er ist im Zuge der dominierenden modellbasierten Kosmologie fast in Vergessenheit geraten. Die beobachtungsbasierte Kosmologie reduziert die Gravitationslinsenbeschreibung auf den rein durch Daten bestimmbaren Teil. Zwar gewinnt die Wissenschaft damit nur lokale Informationen über die Dunkle Materie, dafür jedoch frei von Annahmen, die Inkonsistenzen erzeugen. Die resultierende lokale Linsenrekonstruktion ist eine mathematisch bewiesene global-optimale Lösung. Zudem ist sie für alle Datensätze auf allen Größenskalen von Galaxien bis zu Galaxienhaufen dieselbe, schnell zu berechnen, daher leicht zu automatisieren und flexibel mit später erhaltenen Daten erweiterbar.
Wichtiger Beitrag zur beobachtungsbasierten Kosmologie
„Als ich meine Forschungen auf der Grundlage der beobachtungsbasierten Kosmo-logie begann, wurde die Methode als Rückschritt angesehen, verglichen mit den Er-gebnissen, die modellbasierte Ansätze liefern“, erinnert sich Jenny Wagner. Um die Fachgemeinschaft vom Nutzen der Methode zu überzeugen, arbeitete sie die Vortei-le der lokalen Informationen im Vergleich mit gängigen Modellrekonstruktionen her-aus und erhöhte die Genauigkeit einer Modellrekonstruktion stark durch Einbau der neuen Formeln. „So erhalten wir die Klasse an Informationen über eine Linse, in der sich alle Modellrekonstruktionen einig sind“, betont Jenny Wagner.
Aus dem „Rückschritt“ wird so ein Fortschritt, an dem Jenny Wagners wissenschaftli-che Arbeit maßgeblichen Anteil hat. Inzwischen ist nicht nur sie davon überzeugt, dass sich ihr Beitrag zur beobachtungsbasierten Kosmologie in den nächsten Jahren mit der Fülle an gewonnenen Daten durchsetzen wird. Laut Schätzungen von 2019 wird die Dichte an Daten pro Galaxienhaufenlinse in 2-3 Jahren groß genug sein, um
an ca. 1.000 statt bisher 50 Punkten lokale Informationen über die Dunkle Materie-verteilung zu berechnen.
Eine Auszeichnung, die Mut belohnt und Mut macht
Mit viel Mut, Risikobereitschaft und Beharrlichkeit hat Jenny Wagner am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) ihre wissenschaftliche Arbeit – auch gegen die Widerstände vorherrschender Fachmeinungen – vorangetrieben und pu-bliziert. Der Preis für mutige Wissenschaft des Landes Baden-Württemberg ist für sie Bestätigung und Antrieb zugleich: „Die Auszeichnung bedeutet mir in doppelter Hin-sicht sehr viel. Auf persönlicher Ebene freue ich mich sehr darüber, dass mein Mut zum Risiko und meine Mühen honoriert werden. Auf fachlicher Ebene freut mich um-so mehr, dass diese Forschungsrichtung nach langer Zeit die Chance bekommt, aus dem Schatten der Standardmethoden herauszutreten. Dieser Preis ist daher nicht nur eine Ermutigung für mich, sondern für alle, die ebenfalls diesen unkonventionel-len und bisweilen auch mühevollen Weg eingeschlagen haben.“
Mehr Informationen zu Dr. Jenny Wagner
Die diplomierte Physikerin schloss 2011 ihre interdisziplinären Dissertationsstudien an der Universität Heidelberg in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Krebsfor-schungszentrum (DKFZ) mit einer Doktorarbeit zum Thema Qualitätskontrolle auf Basis von Bildverarbeitung in der Peptidchiparrayproduktion ab. Im Anschluss war sie in verschiedenen Instituten als Forschungsassistentin tätig und ist seit 2012 (Mit-)Herausgeberin des Lehrbuchs „Physik für Studierende der Naturwissenschaft und Technik“. Seit 2014 forscht sie als PostDoc am Zentrum für Astronomie der Universi-tät Heidelberg (ZAH). Jenny Wagner bezeichnet sich selbst als eine „Quereinsteigerin“, die in ihrer wissen-schaftlichen Arbeit zur Kosmologie interdisziplinäre Ansätze und ungewöhnliche Me-thoden verfolgt. Dabei geht es ihr um die großen Fragen der Kosmologie und um de-ren methodische Grundlagen gleichermaßen: Welche Informationen lassen sich aus Beobachtungen sogenannter Gravitationslinsen über Galaxien oder Galaxienhaufen gewinnen, die Billionen von Lichtjahren von uns entfernt sind? Wie können wir die physikalischen Grundlagen, die diesen Gravitationslinsen zugrunde liegen, präziser in der Sprache der Mathematik formulieren? Wer sich wie Jenny Wagner mit Dunkler Materie oder Gravitationslinsen wissen-schaftlich auseinandersetzt, begibt sich zwangsläufig in Regionen, in denen die Vor-stellung im Bereich des Unvorstellbaren liegt. Um sie beschreiben oder aus deren Beobachtung Erkenntnisse ableiten zu können, bedient man sich oftmals der Simula- tion oder setzt Modellannahmen voraus. „Wir müssen jede Voraussetzung und jede Annahme kritisch prüfen, da sie unsere Interpretation der Daten immens beeinflus-sen“, erklärt Jenny Wagner: „Denn oft haben wir nur wenige Daten, um diese Modell-annahmen zu testen, und es bleibt ein Restzweifel, ob diese Modelle der Realität entsprechen.“ Den Einfluss dieser Annahmen zu hinterfragen, bildete den Ausgangspunkt ihrer wis-senschaftlichen Arbeit über eine „Beobachtungsbasierte Charakterisierung und Mo-dellselektion von Gravitationslinsen“. Gegenüber den in der Kosmologie vorherr-schenden modellbasierten Ansätzen beruht Jenny Wagners Methodik auf einem An-satz, der sich rein auf verfügbare Daten stützt. Zwar gewinnt die Wissenschaft damit nur lokale Informationen über die Dunkle Materie, dafür jedoch frei von Annahmen, die Inkonsistenzen erzeugen. Um die Fachgemeinschaft vom Nutzen der Methode zu überzeugen, arbeitete die Heidelberger Wissenschaftlerin die Vorteile der lokalen Informationen im Vergleich mit gängigen Modellrekonstruktionen heraus und erhöhte die Genauigkeit einer Modellrekonstruktion stark durch Einbau neuer Formeln, die durch den neuen Ansatz gewonnen wurden.
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