Ein simuliertes Universum

U

m zu verstehen, was die Welt im Großen und Kleinen zusammenhält, gab es für die Wissenschaft lange Zeit zwei Wege: die Vermessung der Realität in immer höherer Präzision: Durch Elektronenmikroskope, Teilchenbeschleuniger und Teleskope. Und die mathematische Berechnung anhand einfacher theoretischer Modelle. Mit dem Aufkommen leistungsfähiger Supercomputer hat sich eine weitere Methode etabliert, die gewissermaßen zwischen der empirischen Beobachtung und der Berechnung mit Zettel und Stift anzusiedeln ist: die Simulation.

Im Bereich der Kosmologie ist es inzwischen möglich, ganze Universen in unvorstellbarer Größe und Detailreichtum zu simulieren und so wie in einem Experiment zu studieren – vom Urknall bis hin zur Entstehung von Sternen, Schwarzen Löchern und Galaxien. 

Das Illustris Projekt

Eine der bislang ambitioniertesten Simulationen gelang einem Team um die deutschen Astrophysiker Volker Springel und Mark Vogelsberger. Im Rahmen des IllustrisTNG Projektes wurden mehrere würfelförmige Universen berechnet, mit Kantenlängen von bis zu 300 Megaparsec (etwa 1 Milliarde Lichtjahre). Sie enthalten damit bis zu 20.000 Galaxien und modellieren sowohl Dunkle als auch normale „baryonische“ Materie.

Trotz der immensen Dimension des simulierten Volumens ist die Auflösung fein genug, um detaillierte Strukturen einzelner Galaxien abzubilden. Die folgende Animation zeigt einen kleinen Ausschnitt der TNG50 Simulation. Zu sehen ist das langsame Wachstum einer virtuellen Galaxie, bis sie etwa die Größe der Andromeda-Galaxie erreicht.

Entlang der Dreh-Achse der Galaxie erkennbar sind Strömungen, die Materie aus dem Zentrum der Galaxie ausstoßen. Es handelt sich um Jets, hervorgerufen von dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie. Es zieht Materie in der galaktischen Ebene an, die gemäß der Drehimpulserhaltung teilweise senkrecht zur Ebene aus der Galaxie geschleudert wird. Nach gewisser Zeit wird das ausgestoßene Material von der Gravitation wieder zur Galaxie zurückgezogen. Es bildet sich eine Art galaktischer Recycling-Kreislauf.

So wie die die Bildung der scheibenförmigen Galaxien selbst, mit ihren sich drehenden Galaxie-Armen, ist auch dieser Effekt nicht explizit in die Simulation einprogrammiert worden. Alle diese Phänomene entstanden von selbst – als Resultat aus dem komplexen Zusammenspiel der initial vorgegebenen Parameter.

Die TNG Simulation wurde im Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart berechnet. Der Cray Supercomputer (Spitzname: „Hazel Hen“) steht momentan auf Platz 8 im Ranking der schnellsten Supercomputer der Welt. Obwohl er über mehr als 200.000 Prozessorkerne verfügt, dauerte die Berechnung fast zwei Jahre.

Die Simulation begann mit einer Materie- und Energieverteilung, wie sie kurz nach dem Urknall vorgeherrscht haben muss. Von dort aus wurde dann weitergerechnet bis zur Gegenwart – 13,8 Milliarden Jahre später.

Das Ergebnis ist unserem beobachtbaren Universum erstaunlich ähnlich: Es bilden sich Sterne, Schwarze Löcher und Galaxien. Auf großen Skalen zeigt sich eine wabenartige Materieverteilung: Zwischen dichten Galaxienhaufen spannen sich sogenannte Filamente – fadenförmige Strukturen aus Dunkler Materie, interstellarem Gas und einzelnen Galaxien. Dazwischen klaffen riesige Leerräume („Voids“) mit niedriger Materiedichte.

Zwei der größten offenen Fragen der Kosmologie betreffen die Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Nach dem Standardmodell der Kosmologie besteht das Universum zu etwa 73 Prozent aus Dunkler Energie, zu 23 Prozent aus Dunkler Materie, und nur zu rund 4 Prozent aus uns bekannter „gewöhnlicher Materie“, wie zum Beispiel Atomen, Photonen und Neutrinos.

Dunkle Materie ist eine postulierte Form von Materie, die nicht direkt sichtbar ist, aber über die Gravitation mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt. Ihre Existenz wird durch verschiedene empirische Beobachtungen auf unterschiedlichsten Skalen, von Galaxien über Galaxienhaufen bis zur kosmischen Hintergrundstrahlung, nahegelegt und daher von den meisten Wissenschaftlern angenommen. Da ihre physikalische Natur aber trotz jahrzehntelangen intensiven Studien nach wie vor unklar geblieben ist, beginnen einzelne Wissenschaftler jedoch, ihre Realität anzuzweifeln. Sie versuchen, die auf sie zurückgeführte Gravitationswirkung anders zu erklären, etwa durch eine modifizierte Gravitationstheorie.

Allerdings liefert die TNG Simulation, in deren Physik die Existenz und Wirkung von Dunkler Materie einprogrammiert wurde, unserer realen Welt sehr ähnliche Ergebnisse. Ein Indiz dafür, dass das Standardmodell der Kosmologie die Natur des Universums sehr gut beschreibt.

Illustris TNG ist aktuell das Computermodell unseres Universums mit der höchsten Auflösung und Genauigkeit. An räumlicher Ausdehnung wird es jedoch noch übertroffen von der Millennium-XXL Simulation aus dem Jahr 2010. Sie umfasst eine Simulationsbox mit mehr als 4.000 Megaparsec Kantenlänge, was einem signifikanten Teil des gesamten beobachtbaren Universums entspricht. Die folgende Animation zeigt die Ausmaße verschiedener Simulationen im Vergleich (zum Abspielen scrollen):

Da die Rechenpower der Supercomputer zwar beeindruckend, letztlich aber doch begrenzt und teuer ist, muss bei der Berechnung der Simulationen immer ein Kompromiss gefunden werden zwischen den Faktoren Volumen und Auflösung. Zukünftige Simulationen werden diese Grenzen aber immer weiter hinausschieben. Die aktuelle Entwicklung konzentriert sich vor allem auf die Physik auf kleineren Skalen. Sie kann momentan noch nicht detailliert gerechnet werden und muss daher durch Näherungen beschrieben werden.
Der Traum der Kosmologen: Die Simulation eines Universums, in dem sowohl sehr große als auch „kleine“ Strukturen genau berechnet werden können – von Superclustern und galaktischen Filamenten bis hinab zu einzelnen Sternen oder sogar Planetensystemen.