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Simulation im Superrechner : Wie der Kosmos entstand

Dunkle Materie (bläuliche Linien) und Verklumpung von normaler Materie. Hier vor allem Gas- und Staubwolken. Bild: Illustris Collaboration

50.000 Galaxien und 13 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte haben Forscher in einer aufwendigen Computersimulation modelliert. Das Ergebnis ist (fast) ein Universum, wie man es draußen beobachtet.

          Das uns bekannte Universum besitzt einen strengen hierarchischen Aufbau. Sterne ballen sich zu Galaxien zusammen, die wiederum Galaxienhaufen bilden. Dank umfangreicher Beobachtungskampagnen haben Astronomen in den vergangenen Jahre ein recht detailliertes Bild von der großräumigen Verteilung der Galaxien gewinnen können. Um die Entstehung dieser kosmischen Strukturen und die Evolution des Weltalls besser zu verstehen, hat eine internationale Forschergruppe die bisher aufwendigste Computersimulation des Universums ausgeführt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die virtuellen Daten stimmen überraschend gut mit den beobachteten Daten überein. Das Resultat stützt die Vorstellung, dass die heute zu beobachtenden Strukturen das Ergebnis von Dichteschwankungen kalter Dunkler Materie sind, die das Universum dominiert. Die Forschergruppe um Mark Vogelsberger vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), zu der auch Wissenschaftler des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien gehören, stellt ihr virtuelles Weltall in der Zeitschrift „Nature“ vor.

          Erste Clusterstrukturen aus normaler Materie im jungen Universum.

          Als die erste Materie verklumpte

          Die Simulation basiert auf dem  Standardmodell der Kosmologie, demzufolge wir in einem Universum leben, das nur zu wenigen Prozent aus normaler Materie besteht. Weitaus größer ist der Anteil an nicht sichtbarer Dunkler Materie (27 Prozent), die nicht mit Licht und nur über die Schwerkraft wechselwirkt. Die restlichen 70 Prozent des Energieinhalts des Universums, die Dunkle Energie, haben im frühen, von Materie dominierten Universum,  noch keine Rolle gespielt.

          Zwar kennt man die physikalische Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie noch nicht. Ihre Auswirkung lassen sich aber mit Supercomputern simulieren und nachvollziehen. Bisherige Computermodelle vom Universum erzeugten ein Netz aus Materieklumpen, das der Verteilung der beobachteten Galaxien ähnelte. Sie konnten bislang aber keine elliptischen und Spiralgalaxien schaffen und die eng verzahnte Entwicklung von interstellarem Gas und den Sternen auf kleinen Skalen nachvollziehen. In dem ambitionierten „Illustris-Projekt“, das effizienten Code  und die Rechenpower von zwei  Supercomputern nutzt, sind die Theoretiker um Vogelsberger nun bei der wirklichkeitsgetreuen Modellierung des Kosmos ein großes Stück weiter gekommen.

          Die ersten Sterne sind im Universum entstanden.

          Das Universum wächst im Zeitraffer

          Die Simulation zeigt die Entwicklung einer Himmelsregion mit 350 Millionen Lichtjahren Ausdehnung über einen Zeitraum von 13 Milliarden Jahren, beginnend zwölf Millionen Jahre nach dem Urknall. Aus der „Ursuppe“, die  aus Wasserstoff, Heliumgas und Dunkler Materie besteht, entstehen mit der Zeit immer größere Materieverklumpungen, die sich durch die Wirkung der Schwerkraft verdichten. Daraus formen sich schließlich Sternsysteme, deren Wachstum durch das Zusammenspiel von Strahlungsprozessen,  Stoßwellen, Turbulenzen, Sternentstehung, Supernova-Explosionen und dem Einfluss wachsender superschwerer Schwarzer Löcher beeinflusst  wird. Nach und nach entsteht daraus  ein ganzer Zoo von Galaxien, wie er sich heute im echten Weltall tatsächlich beobachten lässt: Es gibt große und kleine, elliptische und spiralförmige Galaxien sowie irregulär geformte, die meist aus der Kollision zwei anderer Galaxien hervorgegangen sind.

          Ausschnitt des wirklichen Kosmos, als dieser erst wenige Milliarden Jahre alt war. Aufgenommen mit dem Hubble-Weltraumteleskop.

          Erstmals ist es den Wissenschaftlern gelungen, sowohl den beobachteten Formenreichtum der Galaxien, als auch die ganz großräumige Verteilung der Materie im Weltall in einer einzigen Modellrechnung zu reproduzieren. Das Gewimmel der unterschiedlichen Galaxien auf einer „Himmelsaufnahme“ des virtuellen Universums lässt sich kaum von der echten, bislang „tiefsten“ Aufnahme unseres wirklichen Universums mit dem „Hubble“-Weltraumteleskop unterscheiden, dem sogenannten „Hubble“ Ultra Deep Field“ (UDF), so die Forscher. Die Forscher können in ihrer Simulation die Entstehungsgeschichte und Struktur von etwa 50.000 Galaxien in 3D studieren. Die Simulation kann auch erklären, wie sich schwere Metalle, etwa Metalle,  in neutralem Wasserstoffgas allmählich anreichern.

          Bestätigung des Standardmodells

          „Die Ergebnisse von Illustris markieren einen Umbruch in theoretischen Studien der Galaxienentstehung“, sagt Volker Springel vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS). Er hat maßgeblich das  verwendete Computerprogramm, den AREPO-Code,  geschrieben. „Endlich können wir die alten groben Modelle der Galaxienentstehung hinter uns lassen und nicht nur die Dunkle Materie präzise berechnen“. Und Mark Vogelsberger vom MIT ergänzt: „Es ist bemerkenswert, dass die Anfangsbedingungen des Universums, die wir kurz nach dem Urknall beobachten, tatsächlich Galaxien von der richtigen Größe und Gestalt hervorbringen.“ Für die Theoretiker ist ihre Simulation auch eine indirekte Bestätigung des Standardmodells der Kosmologie.

          Die Simulation hat eine Rechenzeit von mehreren Monaten verschlungen, bei der die Rechenpower von 8000 Prozessoren genutzt wurde. Die Rechnungen erfolgten an den Supercomputern CURIE des Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies bei Paris und SuperMUC des Leibniz-Rechenzentrums in Garching. Mehr als 200 Terabyte an Daten sind produziert worden – das entspricht etwa dem Fassungsvermögen von 42.000 DVDs.

          Die Modellrechnung erreicht eine etwa um einen Faktor Zehn feinere räumliche Auflösung als frühere Simulationen. Die Forscher haben einen Würfel mit einer Kantenlänge von jeweils rund 350 Millionen Lichtjahren simuliert, den sie in insgesamt 12 Milliarden einzelne Zellen unterteilt haben. Dennoch wollen sie sich noch nicht zufrieden geben. Besonders bei der Modellierung von Galaxien, die wenig Sterne und damit Masse enthalten, bedarf es noch Nachbesserung.

          Dann könnte das virtuelle Universum fast so perfekt und schön sein wie unser beobachtbare Kosmos.

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