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04.06.2009 14:08
#43
KOSMISCHE ORTE: WIE DER FERNE RAUM UND DIE PERSÖN-
LICHE WAHRNEHMUNG AM MONITOR AUFEINANDER TREFFEN  en allemand/anglais
Dr. Jayanne English von der Abteilung Physik und Astronomie an der Universität Winnipeg hat eine neue Animation vorgelegt, die kaltes und normalerweise für das menschliche Auge unsichtbaren Wasserstoff-Gas in unserer Milchstrasse anzeigt. Dr. English wandelt komplexe Datensätze aus Teleskopbeobachtungen des Weltalls in Bilder um; sie bestimmt die Farbe und die Form an ihrem Computerbildschirm.
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Die von Dr. Jayanne English (Universität Manitoba, Kanada) mit Unterstützung von A.R. Taylor (Universität Calgary, Kanada) erstellte Animation in fünf Frames handelt von neutralem gasförmigem Wasserstoff in unserer Milchstrasse. Sie basiert auf den Aufzeichnungen des Dominion Radio Astrophysical Observatory DRAO in Penticton (Kanada).

Link zu der Animation


Kosmische Räume: Die Weiten des Weltalls und die eigene Wahrnehmung fliessen am Bildschirm zusammen


Um sich ein Bild vom Universum in seinem frühen Stadium zu machen, muss man sich ein stürmisches Meer von miteinander kollidierenden Partikeln vorstellen, die kleiner sind als Atome. Dieses Plasma sendet insgesamt  mehr Licht aus, als es schluckt oder absorbiert. Dennoch beeinflussen die Wellen dieses kosmischen Meeres die Zukunft des Universums am stärksten. Denn diese Wellen schaffen die nötigen Voraussetzungen für das Wachstum von Galaxien. Diese Galaxien, in denen Sterne und sie umkreisende Planeten existieren, begrenzen die Entwicklung von Lebewesen wie uns selbst. Vor kurzem wurde der Satellit Planck der Europäischen Weltraumbehörde ESA ins All gesandt, um die ursprüngliche Grundlage der Struktur unseres Universums zu untersuchen, d.h. eben diese Wellen im kosmischen Plasma. Frühere Beobachtungen zeigten diese Wellen als winzige Temperaturschwankungen im Licht, das dem ursprünglichen Partikelmeer entweicht. Sie werden als kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (Cosmic Microwave Background Radiation, CMBR) bezeichnet. Diese allgegenwärtige Strahlung hält den leeren Raum des Weltalls auf 2,725 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Die beobachteten Abweichungen von dieser Temperatur beträgt nur ein Zehntausendstel Grad.

Diese ursprünglichen kosmischen Wellen können nicht angefasst werden, sie sind nicht zu schmecken oder zu hören. Wie beinahe alle astronomischen Phänomene nehmen wir sie als die von ihnen abgegebene elektromagnetische Strahlung wahr. Die Analyse ihres Lichts ermöglicht es uns, ihre Merkmale und ihr Verhalten zu verstehen. Dies macht das Sehen zu unserer wichtigsten Sinneswahrnehmung bei astronomischen Untersuchungen. Radio-, Mikrowellen-, Infrarot- und Röntgenteleskope erweitern unser Sehvermögen über das sichtbare Lichtspektrum hinaus und erschliessen uns so den Zugang zu anderen Teilen des elektromagnetischen Spektrums. Von elektronischen Detektoren in Form von Bits und Bytes festgehalten und in Daten umgewandelt besteht die Herausforderung darin, diese Photonen so wiederzugeben, dass wir Menschen das Wesen der von uns untersuchten physikalischen Phänomene begreifen können. Hier ist der Computerbildschirm äusserst hilfreich, verleiht er doch unseren Untersuchungen durch die bildhafte Umsetzung eine konkrete Gestalt. Das bedeutet, wir erfahren nichts über das Universum, indem wir einfach darüber nachdenken. Vielmehr setzen wir unseren Körper ein, insbesondere unser Auge-Gehirn-System, um physikalische Fakten zu erkennen, Klassifikationen zu entwickeln, Konzepte zu umreissen und Vergleiche anzustellen.

Genauer gesagt liegen Erkenntnisse und Untersuchungen der Astrophysiker zu den Kleinstmerkmalen, den so genannten Anisotropien, der Hintergrundstrahlung CMBR in Form von Texten, Gleichungen und Bilder vor, die alle auf dem Computerbildschirm angezeigt, bearbeitet und angesehen werden. Daher wirkt der Monitor als Schnittstelle zwischen zwei unermesslich grossen Weiten, einer äusseren und einer inneren. Die äusseren Gefilde bestehen aus den Raum-Zeit-Dimensionen des Weltalls und umfassen die Gesamtheit aller Materie, Energie und physikalischen Phänomene des Universums. Der andere Bereich ist die Domäne des Geistes und der menschlichen Fähigkeit zu Vernunft, Verständnis und Vorstellungskraft. Von dieser Schnittstelle wird in vollem Umfang Gebrauch gemacht, wenn der Bildschirm, genau wie ein Teleskop, das menschliche Sehvermögen erweitert, indem er aus den erfassten Daten generierte Bilder anzeigt. Diese Bilder können sehr schlicht sein, oftmals auf Konturen beschränkt; nur selten haben sie poetischen Charakter. Dies liegt daran, dass für den grössten Teil des elektromagnetischen Spektrums, einschliesslich des Mikrowellenbereichs, eine Einordnung dessen was wir sehen in „glaubhaft“ oder „wahr“ bedeutungslos wäre. Vielmehr handelt es sich bei allen aus Daten erzeugten Bildern, wie denen des Planck-Satelliten, um Abbildungen messbarer, physikalischer Fakten wie Temperaturschwankungen oder der Dimension von Strukturen.

Die Gewinnung der Messwerte für die ursprünglichen Temperaturverhältnisse in der Hintergrundstrahlung CMBR, also der ursprünglichen Wellen im kosmischen Plasma, stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar. Die vom Satelliten aufgenommenen Daten sind äusserst komplex, fliessen in ihnen doch Zeit, Entfernung und Bewegung zusammen. Da sich Licht mit einer messbaren endlichen Geschwindigkeit bewegt, unterliegt seine Ausbreitung einer gewissen Verzögerung. Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto länger braucht das von ihm abgegebene Licht, um bis zu unseren Teleskopen zu gelangen. Da Planck gleichzeitig Strukturen aus dem benachbarten Universum und Licht aus dem weit entfernten Universum beobachtet, enthalten die von ihm aufgenommenen Daten Temperaturschwankungen sowohl aus der jüngsten Zeit unseres Daseins als auch aus der fernen Vergangenheit. Auf diese Weise stellen die Bilder der Hintergrundstrahlung CMBR wie auch der Computerbildschirm eine Schnittstelle zu 2 weiten Sphären dar. Um die kosmischen Wellen untersuchen zu können, muss diese Schnittstelle zwischen unserem gegenwärtigen Universum und dem der Vergangenheit eingehend erforscht und ausgewertet werden. Um die Bedingungen erfassen zu können, die kurz nach der Geburt von Raum und Zeit herrschten, gilt es, die Signale in den Daten, die von der Strahlung der nahe liegenden Strukturen stammen, zu ermitteln und herauszufiltern, bevor wir Muster analysieren können, die nur in der Hintergrundstrahlung CMBR bestehen.

Eine der Strukturen in unserer Nachbarschaft, die mit den Daten der Hintergrundstrahlung CMBR verwoben ist und unsere Interpretation der Beobachtungen des Planck-Satelliten massgeblich beeinflussen könnte, ist unser eigenes Milchstrassensystem. Die Bänder und Wolken aus kaltem Wasserstoffgas in unserer relativ nahen Umgebung erzeugen einige Mikrowellen- sowie Radiostrahlung. Betrachtungen in der Vergangenheit gingen davon aus, dass im Halo oberhalb der Scheibe unserer Spiralgalaxie nur wenig Gas existiert. Doch waren diese Beobachtungen wie flüchtige Blicke durch ein Schlüsselloch, während der Planck-Satellit unverwandt und forschend hinstarrt. Längere Beobachtungszeiten ermöglichen die Entdeckung auch schwacher Gasansammlungen. Wie kann nun das Gas der Milchstrasse von weiter entfernten gashaltigen Objekten getrennt werden? Die Lösung liegt darin, die Bewegung des Gases zu beobachten. Unsere Galaxie dreht sich, hat fontänenartige Ausströmungen und anschwellende Gaswolken. Auch wenn ihre Geschwindigkeiten Hunderte von Kilometern pro Sekunde betragen, ist das nur sehr wenig im Vergleich zur Rezessionsgeschwindigkeit anderer Galaxien, die Tausende von Kilometern pro Sekunde betragen kann.


Abb. 1. Print-Layout, gestaffelt nach Ebenen, visualisiert wenige Geschwindigkeitskanäle in einem Würfel auf Grundlage der DRAO-Deep-Field-Daten des Planck-Satelliten, aufgezeichnet von Taylor et al.

Radioteleskope können Bewegungen erfassen. Nehmen wir beispielsweise den heimischen Fernseher: er zeigt für jede Frequenz (jeden Kanal) Bilder eines anderen Senders. In ähnlicher Weise empfangen Radioteleskope für jede Frequenz (Kanal) ein anderes Bild, obwohl in diesem Fall alle Bilder einer bestimmten Position am Himmel entsprechen und jeder Kanal mit einer bestimmten Geschwindigkeit zusammenhängt. Die sich daraus ergebenden Daten liegen nicht als einfaches 2D-Bild vor, sondern in Form eines Würfels, der aus einem Stapel Bilder für jeweils verschiedene Geschwindigkeiten besteht. Dieser Würfel muss auf dem Computerbildschirm ausgewertet werden, um kontinuierliche, zusammenhängende Strukturen zu erkennen und Messungen ihrer physikalischen Merkmale vornehmen zu können. Während ein Würfel Kanal für Kanal auf Papier ausgedruckt werden könnte, wie in Abb. 1 gezeigt, führt dies nicht zu einem ähnlich tiefen Verständnis der Phänomene wie bei der Bearbeitung der Daten mit Computerprogrammen, mit deren Hilfe man den Würfel bei der Abbildung auf dem Bildschirm drehen, kippen, nach einzelnen Schichten getrennt darstellen und in der Helligkeit verändern kann. Die rechte Seite in Abb. 2 zeigt den Screenshot eines Datenwürfels, der mit Hilfe der Visualisierungssoftware KARMA gedreht und gekippt wurde.



Abb. 2. Screenshot eines Teils des mit Hilfe des Karma-Visualisationsprogramms abgebildeten DRAO-Planck-Deep-Field-Würfels. Das Fenster links zeigt drei Seiten des Würfels, im grösseren Rechteck ist eine Scheibe (Kanal) abgebildet. Im Fenster rechts wurde der Datenwürfel gedreht und gekippt.

Die Animation zum vorliegenden Artikel enthält auch die Darstellung eines Datenwürfels. Der Würfel wurde von A. Russ Taylor (Universität Calgary) und seinem Team erstellt um festzustellen, welche Auswirkungen ein schwaches Gasvorkommen in der Milchstrasse auf die Beobachtungen des Planck-Satelliten hat. Sie setzten das Synthese-Teleskop des Dominion Radio Astrophysical Observatory (DRAO) ein, um einen scheinbar leeren Teil des galaktischen Halos zu untersuchen. Dabei entdeckten sie schwache, diffuse Kaltgasstrukturen, die Mikrowellenstrahlung erzeugen könnten. Jeder Frame in der Animation zur Darstellung dieser „Gasbänder“ bildet eine unterschiedliche Geschwindigkeit innerhalb der mit unserer Galaxie verbundenen Geschwindigkeitsspanne von einigen Hundert Kilometern pro Sekunde ab.

Für diese Animation habe ich dem ursprünglich schwarz-weissen Datensatz Farben zugeordnet - einige Beispiele für die schwarz-weissen Kanäle finden sich in Abb. 1. Meine Farbwahl spiegelt die Doppler-Verschiebung wider; es ist bekannt, dass die Farbe (oder Spitzen-Wellenlänge) des Lichts, das sich vom Gas zum Betrachter hin bewegt, in Richtung blaues Ende des elektromagnetischen Spektrums verschiebt, während die Lichtemission von sich zurückziehendem Gas sich in Richtung des rötlichen Endes verschiebt. Natürlich nimmt das Auge-Gehirn-System diese Farben entgegengesetzt wahr: Blau scheint in den Hintergrund eines Bildes zu treten und Rot scheint in den Vordergrund zu springen. In der Animation behalte ich die wissenschaftliche Farblegende bei (z.B. Blau scheint dem Betrachter entgegen zu kommen), nehme jedoch eine Anpassung der gewählten Farbe vor, um die Legende optisch zu illustrieren. Beispielsweise habe ich in dem Frame mit der stärksten Blauverschiebung ein leichtes, warmes Blau (Cyan) gewählt, um Wärme und einen Hell-Dunkel-Kontrast zu erzeugen und so den Eindruck zu vermitteln, dass das Gas sich in Richtung des Betrachters bewegt. Rot habe ich in Magenta und Gelb aufgeteilt, wobei ich der Emission mit der stärksten Rotverschiebung ein mattes Gelb zugeordnet habe um zu verdeutlichen, dass der vorangegangene Magenta-Frame eine stärkere Blauverschiebung aufweist. Bewegte sich das Gasband nun in eine Richtung, würde sich die Farbe im Verlauf der Animation allmählich über die Vorderseite des Würfels in diese Richtung verändern und so ein regenbogenartiges Band erzeugen, das von blassem Cyan über Blau und Magenta nach Orange verläuft. Was wir hier jedoch sehen, ist, dass jede Farbe sich über die Vorderseite des Würfels verbreitet hat. Daraus können wir schliessen, dass das Gas nicht fliesst, sondern sich in aufgewühlter Bewegung befindet. Schliesslich gibt es einen Frame mit „Punkten“. Dies sind die energiereichen, jungen, aktiven Galaxien, die zu weit entfernt sind, um sie in ihre Form als Scheibe oder Ellipse aufzulösen. Sie wurden vom DRAO-Teleskop zeitgleich mit der Erforschung der Geschwindigkeitsdaten erfasst. Indem sie einbezogen werden, wird die vorliegende Animation zu einer Metapher für das Verschmelzen von Entfernung und Nähe an einer Schnittstelle. Die Metapher wird in dem 2D-Bild der Animation in Abb. 3 noch stärker betont, wo die gestapelten Bilder im Würfel zu einem einzigen 2D-Bild vereinigt wurden. So wurden die weit entfernten aktiven Galaxien und das in der näheren Umgebung vorhandene Gas miteinander vermischt, das längst Vergangene mit der jüngsten Vergangenheit verwoben.



Abb. 3. Die kolorierten Kanäle in der 3D-Animation, zu einem einzigen 2D-Bild verschmolzen. Es zeigt Gasbänder mit turbulenten Bewegungen in unserer Milchstrasse, über weit entfernte, junge, aktive Galaxien gelegt. (Die Farbgebung des Würfels wurde mit Hilfe des Gnu-Bildbearbeitungsprogramms gimp erstellt.)

Das Bild und die Animation erscheinen dem Betrachter ungewohnt und abstrakt; er mag sich im Bestreben, diesem Material einen Sinn beizumessen, an die Vorstellung Rorschach-ähnlicher Traumbilder klammern. Wichtiger ist jedoch die Bedeutung dieses Datensatzes für die Erforschung unserer Wirtsgalaxie und unsere Beurteilung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Da diese Bilder keine Strukturen aufweisen, die unmittelbar einzuordnen wären, wie etwa die Überreste eines explodierenden Sterns, die Schleifen von Sonneneruptionen oder die herumwirbelnden Jupiter-Wolken, bedeutet es harte Arbeit, diese Beiträge in den Rahmen der gesicherten wissenschaftlichen Fakten einzubringen, der unser Verständnis des Universums ordnet. Und an diesem Punkt in der Geschichte der Menschheit sind es der Computer und sein Bildschirm, die die Übertragung dieser farbenfrohen Tintenkleckse in klassifizierbare physikalische Objekte ermöglichen.

Im Unterschied zur ausgedruckten Seite ist das Bild auf dem Bildschirm formbar. Es können verschiedene Grauabstufungen angewendet, Farbkontraste zugewiesen und bestimmte Perspektiven verändert werden - und das alles in Echtzeit. Die ausgedruckte Seite kann man anfassen und ansehen, aber das Bild auf dem Computer bietet einem die Möglichkeit, unseren Körper ganzheitlich zu nutzen, indem wir unsere Hand auf der Maus und unser Auge-Gehirn-System bei der Bearbeitung der Daten mit Hilfe unterschiedlicher Softwareprogramme zur Visualisierung der Daten einsetzen. George Lakoff und Mark Johnson (Philosophy in the Flesh: The Embodied Mind and Its Challenge to Western Thought, 1999) weisen in ihrer Beschreibung der Philosophie des „Verkörperten Realismus“ darauf hin, dass ein Grossteil des Denkens einer unmittelbaren bewussten Selbstprüfung gegenüber vollkommen unzugänglich ist und dass Verstand unabdingbar an unseren Körper geknüpft ist, da er sich aus unseren Wahrnehmungen und der Verarbeitung unserer Umwelt entwickelt. Wenn unser Verständnis der Realität weitgehend von unserem kognitiven Unterbewusstsein erzeugt wird, dann ist es äusserst vorteilhaft, die Besonderheiten unseres Auge-Gehirn-Systems, nämlich die Erweiterung seiner Fähigkeiten über das Teleskop hinaus mit Hilfe von Anzeigeprogrammen, auch einzusetzen. Die Wahrnehmung von Daten auf dem Bildschirm ermöglicht es uns, mit unserem weiten inneren Raum Kontakt aufzunehmen, dem Teil unseres Geistes, von dem aus Konzepte, Metaphern und Kategorien ins Bewusstsein dringen.

Des Weiteren weisen Lakoff und Johnson darauf hin, dass vom menschlichen Geist entworfene wissenschaftliche Kategorien genauestens mit der Gliederung real existierender Dinge übereinstimmen können und so zu erhärteten wissenschaftlichen Erkenntnissen führen. Meines Erachtens vergrössern die Technologien, die unsere körperlichen Wahrnehmungen erweitern, nicht nur die Bandbreite der verfügbaren Kategorien, um Phänomene der realen Welt einzuordnen, sondern ermöglichen auch bedeutsame Veränderungen unserer Wahrnehmung und Einordnung. Dies macht es uns möglich, uns auf unerforschtes Terrain zu begeben und das Nicht-Intuitive zu erleben. Beispielsweise war vor der Erfindung des fotografischen Films nicht bekannt, dass heisse Sterne bläulich und kalte Sterne rot erscheinen; die Intuition legte nahe, dass alle Sterne weiss seien. Die Fotografie wurde durch den Computerbildschirm ersetzt, der die Schnittstelle zwischen den äusseren Weiten astronomischer Daten und unserem Geist herstellt, indem er bei unserer Erforschung des Kosmos den Schauplatz unserer körperlichen Erfahrungswelt darstellt. Im oben angeführten Beispiel des Radioteleskop-Datensatzes ermöglicht es uns diese Schnittstelle, Gasansammlungen an unerwarteten Stellen zu entdecken und sie als „vergleichsweise nahe“ und „in turbulenter Bewegung“ einzustufen. Astronomen können diese Merkmale nun nutzen, um die Störung durch lokale Strukturen im vom Planck-Satelliten erfassten Signal der weit entfernten kosmischen Wellen in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu eliminieren. Des weiteren können sie am Bildschirm die Daten des Planck-Satelliten dazu nutzen, die Unsicherheiten bei der Beschleunigung der Ausdehnung des Universums auszuwerten, zu prüfen, ob sich das Universum in einer Epoche kurz nach dem Anfang der Zeit in seinen Dimensionen drastisch ausgedehnt hat und zu versuchen, das Wesen dunkler Materie und dunkler Energie zu durchdringen.



Dr. Jayanne English ist ausserordentliche Professorin des Fachbereichs Physik und Astronomie an der kanadischen Universität Winnipeg. Sie ist für ihre populärwissenschaftlichen astronomischen Bilder bekannt. Ihre Schriften über die Visualisierung des Weltalls anhand von Beobachtungen mit dem Teleskop sind im Internet unter horizonzero.ca (Issue 06: „see“) und auf ihrer eigenen Homepage nachzulesen.

Die Animation wurde von Jayanne English (Universität Manitoba, Kanada) mit der Unterstützung von A.R. Taylor (Universität Calgary, Kanada) und dem NSERC für das DRAO-Planck-Deep-Field-Projekt erstellt.



 
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