Wenn Unsichtbares sichtbar wird: Informatiker der WWU entwickeln Programm zur Visualisierung von Simulationsdaten zu Dunkler Materie

Aaron Scherzinger, Dominik Drees und  Klaus Hinrichs (von links) bei der Arbeit Aaron Scherzinger, Dominik Drees und Klaus Hinrichs (von links) bei der Arbeit mit dem Visualisierungs- programm "Voreen". - Julia Schwekendiek
Ein dünnes Netz spannt sich über den Bildschirm. Nach ein paar Klicks entstehen bunte Knoten, Farben schillern – kosmisches Leuchten, hinter dem ein Code aus Münster steckt. Mit ihrer Visualisierung ist es einem Projektteam aus der Arbeitsgruppe von Prof. Klaus Hinrichs gelungen, komplexe Strukturen in Simulationsdaten Dunkler Materie darzustellen. Beim renommierten "IEEE 2015 Scientific Visualization Contest" in den USA gewannen die Münsteraner vor zwei Jahren den ersten Preis. Im April 2017 ist der Beitrag als Paper erschienen.

Bei dem Wettbewerb ging es darum, ein Computerprogramm zur Visualisierung von Simulationsdaten zu Dunkler Materie zu entwickeln. "Während die internationalen Teams grösstenteils aus etablierten Wissenschaftlern bestanden, haben bei uns vier Bachelorund Masterstudierende die Aufgabe im Rahmen eines Projektseminars bearbeitet", berichtet Klaus Hinrichs, der die Arbeitsgruppe Visualisierung und Computergrafik am Institut für Informatik leitet. Das Team der Universität Münster entwickelte ein Konzept, das nicht nur viele Forschungsdaten am Computer sichtbar macht, sondern die Jury auch durch eine gute grafische Darstellung überzeugte.

Zusätzlichen fachlichen Input lieferte Alexander Fieguth vom Institut für Kernphysik, die angehenden Informatiker tüftelten an einer geeigneten grafischen Umsetzung. Welche Aspekte finden Physiker besonders wichtig? Wie kann die Informatik zu einer umfassenden Darstellung beitragen? "Den fachlichen Austausch empfand ich als sehr bereichernd", erinnert sich Aaron Scherzinger, der mit Tobias Brix und Klaus Hinrichs für die Leitung des Projektseminars verantwortlich war und Erstautor des Papers ist.

Weil der Nachweis Dunkler Materie bisher nicht gelungen ist, arbeiten Physiker mit einem Modell. Dabei beobachten sie in einer Simulation das Verhalten kleiner Partikel, die als vereinfachte Darstellung der rätselhaften Masse dienen: Wie schnell sind die Partikel zu welchem Zeitpunkt? Wohin bewegen sie sich? Und wie sehr ziehen sie einander an?

Die Informatiker aus Münster nutzten diese Informationen und wählten für die Visualisierung einen Ansatz, bei dem die Daten räumlich aufbereitet werden: Die Partikel bilden auf dem Bildschirm ein dreidimensionales Netz aus kleinen und grossen Knoten, verbunden durch fadenartige Verbindungen. Diese Ansammlungen bewegen sich aufeinander zu, im Zeitverlauf entstehen immer grössere Haufen. Diese sogenannten Halos lassen sich in einer weiteren Ansicht untersuchen. Welche Masse beispielsweise ihre einzelnen Bestandteile haben, erfassen Nutzer schnell durch eine farbliche Markierung. Zudem können die Hierarchien dieser Ansammlungen genauer unter die Lupe genommen werden: Welcher Knotenpunkt war zuerst da, welche folgten? Die Bedienung erfolgt komfortabel per Mausklick – viele Funktionen, etwa der Zeitverlauf, lassen sich so direkt steuern.

Als Grundlage diente das Visualisierungsprogramm "Voreen", eine Entwicklung für den Sonderforschungsbereich 656 Molekulare kardiovaskuläre Bildgebung (MoBil) zur medizinischen Bildgebung. Ursprünglich diente es dazu, medizinische Daten zu visualisieren, zum Beispiel aus Computertomographieoder Magnetresonanztomographie-Scannern. Später wurde Voreen erweitert, um grosse Datensätze aus der Lichtblattmikroskopie sichtbar zu machen. Für den Visualisierungswettbewerb passten die Informatiker die Funktionen der Anwendung an und entwickelten neue Visualisierungstechniken, die sich leicht in die flexible Software integrieren liessen.

Juliette Polenz

Dieser Text stammt aus der Universitätszeitung "wissen leben" Nr. 3, 24. Mai 2017.

Dunkle Materie

Ob es Dunkle Materie überhaupt gibt, ist ein ungelöstes Rätsel der Physik, ihr Nachweis gilt als nobelpreiswürdig. Vor etwa 80 Jahren fand der Astronom Fritz Zwicky erste Hinweise, als er Galaxienhaufen beobachtete. Dabei stellte er fest, dass ihre eigentliche Schwerkraft nicht ausreichte, um sie zusammenhalten – er vermutete eine grosse Menge unsichtbarer Materie, deren Existenz sich nur über ihre Schwerkraft äussert. In den folgenden Jahrzehnten kamen weitere Indizien hinzu. Heute gibt es weltweit mehrere Grossprojekte zur Detektion Dunkler Materie – auch Wissenschaftler der Universität Münster sind daran beteiligt.