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Wie beeinflussen Sternexplosionen oder die Entwicklung von Galaxien unser heutiges Universum? Die Untersuchung von physikalischen Prozessen, die auf völlig unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen, um die Entwicklung des gesamten Universums zu verstehen, steht im Mittelpunkt des geförderten Exzellenzclusters „Unser dynamisches Universum“ (Dynaverse). Um dieses Ziel zu erreichen, bündelt der Cluster die Expertise in Astrophysik, Informatik und Mathematik der Univ. Köln und Bonn sowie weiterer wichtiger Partner, darunter das Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Dynaverse wurde am 22. Mai 2025 als neuer, geförderter Exzellenzcluster im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie bestätigt.
Was verbindet den Urknall mit einer Supernova und der Entstehung einer Galaxie? Sie beziehen sich auf Ereignisse und Prozesse, die unser Universum geformt haben. Was sie jedoch voneinander unterscheidet, ist der Zeitrahmen, in dem sie stattgefunden haben, der von Sekundenbruchteilen bis zu Milliarden von Jahren reicht. Forscher aus den Bereichen Astrophysik und Astroinformatik wollen herausfinden, wie die Kopplung extrem unterschiedlicher Zeitskalen das heutige Universum beeinflusst.
Das Dynaverse-Team unter der Leitung von Stefanie Walch-Gassner und Cristiano Porciani umfasst Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von den Universitäten Köln und Bonn sowie vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln, dem Forschungszentrum Jülich (FZJ), dem Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) und dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn (MPIfR). Das Konsortium war jetzt mit seinem Antrag in der Förderlinie Exzellenzcluster im Rahmen der „Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder“ erfolgreich: Nach Begutachtung durch internationale Kommissionen wurde der Cluster „Unser dynamisches Universum“ (Dynaverse) zur Förderung ausgewählt.
„Die Bewilligung ermöglicht es uns, nachhaltige, grundlegende Strukturen an den Universitäten Bonn und Köln zu etablieren und ein lebendiges, interdisziplinäres Umfeld zu schaffen“, sagt Stefanie Walch-Gassner von der Universität zu Köln, die Sprecherin des Projekts „Dynaverse“. „Wir freuen uns besonders, maschinelles Lernen und KI mit den wissenschaftlichen Herausforderungen der gigantischen Datenmengen, die von Radioteleskopen wie dem Square Kilometer Array (SKA) erzeugt werden, zu verknüpfen und unsere Studierenden in ihr Studium einzubinden.“
"Es ist ein großer Erfolg, dass unser Förderantrag "Dynaverse" erfolgreich bewilligt wurde. Dies ist ein wichtiger Meilenstein für unsere Forschung am Argelander-Institut und wird uns in den kommenden Jahren entscheidend dabei unterstützen, unsere wissenschaftlichen Ziele voranzutreiben", sagt Cristiano Porciani, zweiter Sprecher und Projektleiter des neuen Exzellenzclusters am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn.
„Dynaverse“: Astronomie zwischen Zeitraffer und Zeitlupe
Die Forscher stellen sich drei zentralen Aufgaben: Zum einen geht es um die Frage, wie sich epochenübergreifende Prozesse wie die Galaxienentwicklung aus Einzelbeobachtungen in einer „Zeitraffer-Astronomie“ zu einem erklärenden „Film des Universums“ zusammensetzen lassen. Aber auch die „Zeitlupenastronomie“ spielt eine wichtige Rolle: Schnelle, vorübergehende Schlüsselereignisse wie Supernova-Explosionen können diese langfristigen Prozesse beeinflussen. Die dritte Herausforderung besteht darin, entscheidende Wendepunkte, die so genannten „kosmischen Verbiegungen“, aufzudecken, die dem jungen, expandierenden Universum Struktur und Licht gegeben haben. Nur durch die Verknüpfung der physikalischen Prozesse auf verschiedenen Zeitskalen lässt sich ein vollständiges Bild des dynamischen Universums entwickeln". „Dynaverse“ wird den Weg für neue Technologien zur Erforschung und Quantifizierung dieser Prozesse bereiten.
Michael Kramer (MPIfR) ist Direktor am MPIfR und leitet die Forschungsabteilung für Radioastronomische Fundamentalphysik. Seine Arbeit konzentriert sich auf die Erforschung des dynamischen Universums, insbesondere für Tests der Gravitation. Mit Hilfe der datenintensiven Radioastronomie erforscht er den riesigen, unentdeckten Parameterraum der Radioleuchtkraft in Abhängigkeit von der Beobachtungsfrequenz und der Zeitskala, wobei der Schwerpunkt auf fundamentaler Physik und zeitlich veränderlichen Phänomenen im Kosmos liegt.
„Unser Institut freut sich auf die Zusammenarbeit mit unseren Universitätskollegen, um dank der weitreichenden Expertise am MPIfR wichtige Beiträge zu allen Themen des Clusters zu leisten“, sagt Michael Kramer.
Jonathan Pritchard (MPIfR/Imperial College London) ist Professor für Astrostatistik und ein führender Theoretiker auf dem Gebiet der Reionisation und Kosmologie. Er hat eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der wissenschaftlichen Grundlagen für die 21-cm-Kosmologie mit dem SKA gespielt und hatte führende Positionen in den SKA-Arbeitsgruppen „Epoche der Reionisation“ und „Kosmologie“ inne. Er ist Co-PI des globalen 21-cm-Radioexperiments REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) und entwickelt statistische Werkzeuge und numerische Simulationen für die Analyse von SKA-Daten.
"Ich freue mich sehr über dieses Ergebnis. Dynaverse kommt zu einem spannenden Zeitpunkt, da das SKA und seine Vorläufer-Radioteleskope beginnen, riesige neue Datensätze über das Universum zu liefern. Dies ist eine großartige Gelegenheit, Fachwissen aus den Bereichen Astrophysik, Astrostatistik und Radioastronomie zusammenzubringen, um alle wichtigen Meilensteine der kosmischen Geschichte zusammenzufügen und die Geschichte unseres Universums zu erzählen", sagt Jonathan Pritchard.
Amélie Saintonge (MPIfR) ist Direktorin am MPIfR und Leiterin der Abteilung Sternentstehung und Galaxienentwicklung. Ihre Arbeit konzentriert sich auf die Verbindung der vielschichtigen Prozesse, die das Wachstum und die Entwicklung von Galaxien durch aufeinanderfolgende Episoden der Sternentstehung bestimmen, mit der enormen Bandbreite der beteiligten räumlichen und zeitlichen Dimensionen. Sie ist Expertin für Multi-Wellenlängen-Beobachtungen, mit Fachwissen über das gesamte Spektrum, aber mit einem besonderen Schwerpunkt auf großen Durchmusterungen mit (Sub)mm- und cm-Radioteleskopen.
"Dynaverse ist eine hervorragende Gelegenheit für das MPIfR, die Zusammenarbeit mit unseren Universitätskollegen in einem sehr breiten Spektrum von Wissenschaftsbereichen zu festigen und zu erweitern. Außerdem bestätigt und etabliert es die Region Bonn/Köln als das führende Zentrum für Radioastronomie in Deutschland und unsere Führungsrolle auf der Weltbühne", sagt Amélie Saintonge.
Laura Spitler (MPIfR) ist Leiterin einer unabhängigen Lise-Meitner-Forschungsgruppe am MPIfR. Sie ist Expertin für die Entdeckung und Charakterisierung von schnellen Radiotransienten, wie den berühmten „Fast Radio Bursts“ (FRBs), und wird zur Entwicklung von Algorithmen beitragen, die neue Bereiche des Parameterraums erkunden und nach neuen Klassen von Radiotransienten suchen. Sie hat auch umfangreiche Erfahrung mit Radio-Nachbeobachtungen von sich wiederholenden FRBs und verbindet diese Beobachtungen mit vorgeschlagenen Modellen über den Ursprung von FRBs.
"Eine große Stärke des Dynaverse-Exzellenzclusters ist die Einbeziehung von Projektleitern aus der Astronomie und der Informatik. Um die bestmögliche Wissenschaft mit den Teleskopen der nächsten Generation zu realisieren, müssen wir zusammenarbeiten, und Dynaverse wird die Region Bonn-Köln zu einem weltweiten Kompetenzzentrum für Astroinformatik machen", sagt Laura Spitler.
"Ich freue mich besonders über die rechtzeitige Einrichtung dieses Clusters. In Kombination mit dem rasanten Wachstum der Künstlichen Intelligenz, des Big Data Managements und des High Performance Computing ist Dynaverse bestens gerüstet, um das Maximum an Wissenschaft aus den riesigen Datenmengen herauszuholen, die von aktuellen und zukünftigen Radioanlagen erzeugt werden", sagt Vivek Venkatraman Krishnan vom MPIfR, einer der Co-Investoren des Projekts.
Von Radioteleskopen bis Astroinformatik: fünf Kompetenzsäulen
Um die Herausforderungen zu meistern, stützt sich der Exzellenzcluster auf folgende Kompetenzsäulen, die eine wesentliche Stärke des Bonn/Kölner Raums sind: erstens die Entwicklung modernster Detektoren und Instrumente für internationale Teleskope, zweitens das Management zahlreicher großer Beobachtungsprogramme, drittens erstklassige Laborastrophysik und viertens die Simulation der Dynamik von Planeten, Sternen und Galaxien auf Hochleistungsrechnern. Mit Dynaverse wird nun ein fünftes und neues Standbein in der Astroinformatik aufgebaut, um die Chancen in dieser neuen Ära der datenintensiven Radioastronomie zu nutzen.
„Entscheidend für den Erfolg wird die Nutzung der riesigen und heterogenen Datenmengen mit innovativen Methoden sein“, sagt „Dynaverse“-Sprecherin Stefanie Walch-Gassner. Deshalb wollen die Experten aus Astrophysik, Informatik und Mathematik maßgeschneiderte KI-Methoden im Rahmen einer fünften Säule, der Astroinformatik, etablieren. Alle Daten und Erkenntnisse sollen in der Shared Universe Engine (SUE), einer intelligenten Open-Source-Plattform, zusammengeführt werden. SUE wird so zu einem virtuellen, kollaborativen Arbeitsraum.
Ein wesentlicher Bestandteil von „Dynaverse“ ist auch die Ausbildung der nächsten Generation von Forschern und Studenten in den neuen Technologien und Methoden. Darüber hinaus ist die Förderung von Schülern und Lehrern ein grundlegendes Anliegen, wobei SUE als vielseitige Anwendung konzipiert ist, die ganz selbstverständlich die Bereiche Bildung und Öffentlichkeitsarbeit integriert und mitdenkt.
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Weitere Informationen
ARC1: Zeitrafferastronomie - Rekonstruktion von 13,8 Milliarden Jahren aus Momentaufnahmen.
Der komplexe dynamische Transport von Gas, Staub und Festkörpern wird durch Massen- und Energieströme bestimmt. Diese Ströme laufen in der Regel über lange Zeiträume ab. So erstreckt sich die Entwicklung von Galaxien über einen Zeitraum von mehr als 13,5 Milliarden Jahren, wie die kürzlich entdeckten „kosmischen Morgengrauen-Galaxien“ zeigen, die das James-Webb-Teleskop nur 300 Millionen Jahre nach dem Urknall gesehen hat. Die lange Dauer bedeutet, dass Veränderungen in einzelnen Galaxien nicht in Echtzeit verfolgt werden können. Daher müssen die zeitliche Entwicklung und die Kinematik durch die Beobachtung einer großen Anzahl von Galaxien, vieler verschiedener Umgebungen innerhalb der Galaxien, mehrerer Orte der Sternentstehung und planetarer Scheiben statistisch entschlüsselt werden. Mit Hilfe unserer physikalischen Kenntnisse werden wir sie in eine logische zeitliche Abfolge der Entwicklung bringen, d. h. in einen „Zeitrafferfilm“ unseres dynamischen Universums. Die „Handlung“ des Films ergibt sich aus den Aktivitäten der „Hauptakteure“ (beobachtbare Phänomene), die von einer Reihe rascher Ereignisse (ARC2) beeinflusst werden, vor einer von der Kosmologie geprägten Kulisse (ARC3). Um diesen Film zu rekonstruieren, kombinieren wir einzelne Schnappschüsse aus astronomischen Beobachtungen, die verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums untersuchen, mit der Erklärungskraft numerischer Simulationen und der Theorie, unterstützt durch Künstliche Intelligenz und Maschinenlernen.
ARC2: Zeitlupenastronomie - Verfolgung schneller Ereignisse im dynamischen Universum in Echtzeit.
Die dynamische Entwicklung unseres Universums wird entscheidend von schnellen, oft hochenergetischen Ereignissen beeinflusst. Häufig sind diese Ereignisse mit den Geburts- und Sterbephasen des stellaren Lebens verbunden. Diese Phänomene lassen sich manchmal in Echtzeit und in großer Detailgenauigkeit beobachten. Die statistischen Stichproben solcher Ereignisse sind jedoch oft zu begrenzt, um in einem breiteren astrophysikalischen Kontext vollständig verstanden zu werden (ARC1 und ARC3). Es sind weitere Beobachtungen erforderlich, um die Vielfalt dieser Ereignisse zu charakterisieren, da große unerforschte Regionen des Parameterraums möglicherweise völlig neue schnelle Phänomene beherbergen. Die Zeitlupenastronomie im Zeitalter der Big-Data-Astrophysik birgt großes Potenzial für die Entdeckung dieser Phänomene. Empfindliche, weiträumige Durchmusterungen mit hoher Zeitauflösung machen bisher unzugängliche Regionen des Parameterraums zugänglich. Dazu müssen Suchstrategien für große Datenmengen entwickelt werden, ohne die genauen Signaturen der Zielereignisse zu kennen. Um die Auswirkungen von schnellen Ereignissen, die Bifurkationspunkte für die weitere Entwicklung astrophysikalischer Objekte sein können, vollständig zu erfassen, müssen wir die relevanten physikalischen Prozesse und ihre Verbindungen über verschiedene Zeitskalen hinweg systematisch untersuchen und verstehen.
ARC3: Kosmische Wendungen - Erforschung der spektakulären Veränderungen des dynamischen Universums.
Neben den Verzweigungspunkten für einzelne astrophysikalische Objekte gibt es einige besondere Wendepunkte, die die Szenerie des gesamten Universums für immer verändern. Ganz am Anfang der Zeit werden durch eine rasche „Dehnung“ des jungen Universums (kosmische Inflation) die Keime gelegt, aus denen später alle kosmischen Strukturen entstanden sind. Einige hundert Millionen Jahre später wird das neblige, in Dunkelheit gehüllte Universum durch den Beginn der Stern- und Galaxienbildung (kosmische Reionisation) erhellt.
Nach Milliarden von Jahren schließlich, etwa zu der Zeit, in der unser Sonnensystem entsteht, wird die Anziehungskraft der dunklen und sichtbaren Materie, die die kosmische Expansion verlangsamt, von einer geheimnisvollen Kraft verdrängt, die von der rätselhaften dunklen Energie bestimmt wird (Übergang von Materie zu dunkler Energie). Ein detailliertes physikalisches Verständnis dieser Wendepunkte ist immer noch schwer zu erlangen, und ARC3 wird die gesamte Palette astrophysikalischer Datensätze kombinieren, um sie über ihre derzeitigen Beschreibungen hinaus zu charakterisieren. Die Wendepunkte in ARC3 bilden den Rahmen für die in ARC1 untersuchte dynamische Entwicklung, während sich neue Datensätze wahrscheinlich aus den in ARC2 durchgeführten Forschungen ergeben werden.
SUE: Shared Universe Engine
Die Shared Universe Engine (SUE) ist eine von der Physik gesteuerte, intelligente und cloudbasierte Plattform, die ein Datenlabor und ein Schnittstellenzentrum mit der Entdeckungsmaschinerie des Projekts kombiniert. Das Datenlabor soll Arbeitsabläufe, Software-Infrastruktur, Datenanalysetools und Zugang zu moderner Rechenhardware bereitstellen. Das Interface Hub gewährt der astrophysikalischen Gemeinschaft (Expertenmodus), Lehrern (Bildungsmodus) und der Öffentlichkeit (Public-Outreach-Modus) vollen Zugang zu heterogenen Daten, algorithmischen Entwicklungen auf der Basis von Maschinenlernen /Künstlicher Intelligenz und Forschungsergebnissen. Es ermöglicht die Kombination von Beobachtungen mit astrophysikalischen Labordaten und modernsten Simulationen. Durch die Verknüpfung mit bestehenden Plattformen wie dem Virtual Observatory für Beobachtungsdaten geht das SUE über eine reine Datenbank hinaus und dient letztlich als Entdeckungsmaschine. Es kann abgefragt werden, um die physikalischen Bedingungen in einer bestimmten Region von Interesse im beobachteten Universum zu ermitteln, und führt den Benutzer so durch die physikalischen Prozesse, die diese Region geformt haben.
Am Exzellenzcluster „Dynaverse“ sind insgesamt 25 Forschungsgruppenleiter aus 12 Institutionen und vier Ländern beteiligt, sowie 19 Kooperationspartner aus fünf Ländern. Im Rahmen dieser internationalen Partnerschaften hat das Team des Exzellenzclusters Zugang zu Radioteleskopen und dem ersten europäischen Exascale-Rechner in Jülich.
Die Exzellenzstrategie zielt darauf ab, den Wissenschaftsstandort Deutschland nachhaltig zu stärken, seine internationale Wettbewerbsfähigkeit weiter auszubauen und die erfolgreiche Entwicklung zur Ausbildung von Spitzenkräften in der Forschung und zur Steigerung der Qualität des Hochschul- und Wissenschaftsstandortes Deutschland in der Breite fortzusetzen. Die Förderlinie Exzellenzcluster zielt darauf ab, international wettbewerbsfähige Forschungsfelder in Universitäten und Universitätsverbünden projektbezogen und auch disziplinübergreifend zu fördern.
Prof. Dr. Michael Kramer
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung Radioastronomische Fundamentalphysik
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Fon: +49 228 525-456
E-mail: sfellenberg@mpifr-bonn.mpg.de
Prof. Dr. Amélie Saintonge
Direktorin und Leiterin der Forschungsabteilung Sternentstehung und Galaxienentwickung
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Fon: +49 228 525-380
E-mail: asaintonge@mpifr-bonn.mpg.de
Prof. Dr. Jonathan Pritchard
Leiter der Forschungsgruppe Radiokosmologie
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
E-mail: jpritchard@mpifr-bonn.mpg.de
Dr. Laura Spitler
Leiterin der Forschungsgruppe Radiotransienten
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Fon: +49 228 525-147
E-mail: lspitler@mpifr-bonn.mpg.de
Dr. Vivek Venkatraman Krishnan
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Fon: +49 228 525-312
E-mail: vkrishnan@mpifr-bonn.mpg.de
https://www.mpifr-bonn.mpg.de/mitteilungen/2025/6
Beispiele, die die sehr unterschiedlichen Zeitskalen unseres dynamischen Universums veranschaulichen ...
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Das SKA-MPIfR-Teleskop (SKAMPI) in der Karoo-Region in Südafrika. Seine Fähigkeiten vermitteln einen ...
Gundolf Wieching / MPIfR
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsprojekte, Kooperationen
Deutsch
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