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Vom Pixel zum Universum und zurück

01.12.2021

Der Astrophysiker Daniel Gruen setzt Künstliche Intelligenz für die Erforschung des Kosmos ein. Seit Sommer 2021 ist er Lehrstuhlinhaber an der Fakultät für Physik.

Für Daniel Gruen geht es darum, das Unsichtbare sichtbar zu machen. Dafür ist der Kosmologe ebenso auf die Leistung von Teleskopen angewiesen wie auf die Möglichkeit, mit enormen Datenmengen zu rechnen. „Mein Forschungsgebiet spannt den Bogen von Pixeldaten, die wir mit Teleskopen aufnehmen, also Bildern und Spektren von Galaxien, bis hin zu Rückschlüssen über die fundamentalen physikalischen Gesetze und Bestandteile des Universums“, sagt der Astrophysiker. „Wir fragen uns: Wie können wir von diesen Bildern, die wir vom Universum machen, etwas darüber lernen, wie sich das Universum entwickelt hat und wie seine Geschichte weitergeht?“

Zurück nach vorn

Daniel Gruen hat an der LMU Physik studiert. Bereits für seine Masterarbeit hat es den Astrophysiker in die USA gezogen, so wie viele seiner Kolleginnen und Kollegen, die dort an großen Experimenten zur Erforschung des Weltraums mitarbeiten. An der University of Pennsylvania hat Gruen bei Professor Gary Bernstein über den Gravitationslinseneffekt geforscht – ein Thema, das auch heute noch seine Forschung bestimmt.

„Der Gravitationslinseneffekt ist in der Kosmologie zentral, weil er uns erlaubt zu sehen, welche Strukturen von Materie es im Universum gibt. Wenn im Universum Licht auf seinem Weg zu uns an Materie vorbeimuss, wird es abgelenkt. Das verzerrt die Bilder von entfernten Galaxien. Und aus dieser Verzerrung können wir etwas über die Verteilung von Materie lernen, die sonst für uns unsichtbar ist, da der Großteil der Materie im Weltall die sogenannte dunkle Materie ist“, erläutert Daniel Gruen.

Nach dem Studium an der LMU und der University of Pennsylvania forschte Gruen als NASA Einstein Fellow und Postdoctoral Researcher an der Stanford University und anschließend als Panofsky Fellow am SLAC National Accelerator Laboratory am Kavli Institute der Stanford University, wo er eine Arbeitsgruppe leitete, bis er sich zur Rückkehr an die LMU entschloss.

Seit dem Sommer 2021 hat er hier den Lehrstuhl für Astrophysik, Kosmologie und Künstliche Intelligenz inne. „Die Bedingungen, die die LMU bietet für den Aufbau eines großen, auf lange Sicht und in der Breite aufgestellten Forschungsprojekts, sind sehr gut und können sich international absolut sehen lassen. Das gilt auch für die Möglichkeiten, Kollaborationen mit großen Experimenten einzugehen.“ Das sei auch dank der KI-Initiative in Bayern möglich, durch die Lehrstühle geschaffen wurden, die „neue Konzepte umsetzen können“.

„Wenn wir diese Möglichkeiten als Wissenschaftler an der LMU richtig nutzen, dann ist nichts unmöglich“, so Daniel Gruen, wobei er den amerikanischen Ausdruck „Sky is the limit“ wählt.

Mittelalter schwarzhaariger Mann mit Bart steht zwischen einen Sternenbild und einem Rechenserverschrank

Professor Daniel Gruen

© LMU

Der KI voraus

Mit riesigen Teleskopen, die ihre immer größeren Spiegel in den Himmel richten, versuchen die Menschen, sich ein Bild von den Weiten des Weltraums zu machen. Sie stehen fernab der Zivilisation, etwa in der Atacama-Wüste in Chile oder auf hohen Bergen wie dem La Silla. Die riesigen Geräte sammeln inzwischen so viele Daten, dass sich alleine aus ihrer Menge neue Forschungsfragen ergeben.

„In der Astrophysik gibt es zurzeit dank immer größerer Spiegel, größerer Kameras und besserer Optik unglaublich schnell unglaublich viel mehr Daten“, weiß Daniel Gruen. „Während ich in meiner Doktorarbeit noch mit 10.000 Galaxien gearbeitet habe, arbeiten wir jetzt mit 100 Millionen und in wenigen Jahren mit Milliarden von Galaxien.“

Die schiere Menge an Daten überhaupt verarbeiten zu können, ist für die Forschung eine Herausforderung. Für Astrophysiker wie Daniel Gruen sind Anwendungen der Künstlichen Intelligenz daher inzwischen unverzichtbare Werkzeuge geworden. „Man muss sich immer bessere Algorithmen dafür überlegen“, sagt Daniel Gruen, der sich zudem vor allem Gedanken darüber machen muss, was genau er überhaupt berechnen will: „Es gibt sehr viel Information in den Daten. Aber es ist gar nicht so offensichtlich, wo sie steckt und wie man sie extrahieren kann.“ KI könnte dafür ein Schlüssel sein.

Daniel Gruen profitiert einerseits von der rasanten Entwicklung der Künstlichen Intelligenz. „Es werden laufend spannende neue Konzepte entdeckt, die uns Neues ermöglichen.“ Andererseits muss er sie für seine speziellen Forschungsfragen in der Astrophysik erst anpassen und dabei der KI quasi immer einen Schritt voraus sein: „Wir versuchen Probleme zu lösen, die anders sind als die, die bei der KI aktuell schon im Alltag angekommen sind. Man lernt dabei, etwas zu verändern an der Art, wie Maschinen lernen.“

Offen für neue Ideen

Das sei auch für Studierende und Nachwuchsforschende ein tolles Feld. „Wir brauchen junge Leute mit frischen Ideen, die über den Einsatz Künstlicher Intelligenz kreativ nachdenken. Wenn man ein gutes Verständnis von KI hat, kann man unglaublich viel erreichen in der Astrophysik.“ Aber das gelte nicht nur in seinem Fach, wie Gruen betont: „Es ist ein Forschungsbereich, der unglaublich nützlich ist für Studierende, selbst wenn sie am Ende nicht unbedingt Astrophysiker werden wollen.“

An der LMU freut er sich nun auch auf den Austausch mit Kolleginnen und Kollegen, auch aus anderen Disziplinen. So gehört der Astrophysiker mit zum Team der Referentinnen und Referenten der KI Lectures, einer disziplinübergreifenden Vortragsreihe zu Künstlicher Intelligenz. „Es beginnen Foren zu entstehen, in denen ein Austausch stattfindet, und da freue ich mich sehr darauf. Das wird mit Sicherheit auch uns neue Erkenntnisse bringen“, sagt Gruen und betont: „Ich bin sehr offen für Ideen."

Dazu kommt der fachinterne Austausch an der LMU, aber auch im Rahmen des Exzellenzclusters Origins oder mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Max-Planck-Institute und der Europäischen Südsternwarte in Garching. „Die Konzentration von Astrophysikern an einem Ort ist einmalig“, so Gruen. „München ist der Standort in der Astrophysik in ganz Europa.“ Für einen Forscher, der den Rätseln des Universums auf der Spur ist, scheint Daniel Gruen ganz offensichtlich zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu sein.

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