Supercomputer

Ein Update fürs Universum

Von Jan Hattenbach
 - 22:08
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Mit Hilfe des schnellsten deutschen Supercomputers „Hazel Hen“ im Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart haben Wissenschaftler die bislang detaillierteste Simulation des Universums erstellt. Für einen der beiden Simulationsläufe, in dem mehrere Millionen Galaxien in einem virtuellen Raumbereich von einer Milliarde Lichtjahre Kantenlänge virtuell nachgebaut wurden, waren 24 000 Prozessoren rund zwei Monate beschäftigt. Dabei gingen die Forscher der Frage nach, wie sich aus dem anfangs völlig regellos verteilten Gas des Urknalls im Laufe der Zeit der Kosmos entwickelte, den Astronomen heute beobachten.

Erstmals berücksichtigten sie dabei auch die hydrodynamischen Eigenschaften der Materie und den Einfluss der extrem massereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der großen Spiralgalaxien. Das Ergebnis, veröffentlicht unter dem Namen „IllustrisTNG“ (TNG steht für „The Next Gerneration“), sieht dem echten Universum zum Verwechseln ähnlich. „Die neuen Simulationen erzeugten mehr als 500 Terabyte Simulationsdaten“, erklärt Volker Springel vom Heidelberger Institut für theoretische Studien. „Die Auswertung dieses riesigen Datenberges wird uns noch über Jahre hinweg beschäftigen und verspricht viele weitere spannende Erkenntnisse über unterschiedliche astrophysikalische Prozesse.“

Computersimulationen wie IllustrisTNG sind zu einem mächtigen Werkzeug in der Kosmologie geworden. Die Astronomie kann nur das heute beobachtbare Universum untersuchen und daraus seinen „Bauplan“ rekonstruieren – oder wenn man so will: sein Kochrezept erraten. Moderne Großrechner geben den Forschern die Möglichkeit, dieses Rezept nachzukochen: Die Grundzutaten dafür werden durch das Standardmodell der Kosmologie beschrieben. Das besagt, dass rund 95 Prozent des gesamten Materie- und Energiegehalts des Kosmos in Form sogenannter „Dunkler Energie“ und „Dunkler Materie“ vorliegen – Materie- beziehungsweise Energieformen, die sich fundamental von den bekannten Atomen, Teilchen und Kräften zwischen ihnen unterscheiden. Während die Dunkle Materie sich nur durch ihre Gravitation bemerkbar macht – und hauptverantwortlich dafür ist, dass sich Galaxien überhaupt bilden können – treibt die Dunkle Energie das Universum als Ganzes auseinander.

Weder für die Natur der Dunklen Materie noch für die der Dunklen Energie gibt es allerdings bislang physikalisch überzeugende Erklärungen. Eine unbefriedigende Situation, die Zweifel weckt. Die Resultate von IllustrisTNG zeigen jedoch, dass die Simulation die Entwicklung des Kosmos im Großen und Ganzen sehr gut beschreibt. Wie im echten Universum ordnen sich die Galaxien auch in der Simulation nicht zufällig an, sondern bilden ein „kosmisches Netz“, an dessen Knotenpunkten sich die Galaxien, aber auch der Großteil der Dunklen Materie befinden. Die dazwischen liegenden Bereiche sind größtenteils leer. Aus dem Vergleich dieses Modell-Kosmos mit der Wirklichkeit können die Forscher nun ihre Theorien überprüfen.

IllustrisTNG bestätigt Vorläufersimulationen wie die 2014 präsentierte erste „Illustris“ oder die „Millennium“ Simulation. Abweichungen von den Vorhersagen des Standardmodells zeigten diese nur in Details. IllustrisTNG ist aber mehr als ein Update der älteren Simulationen. Einerseits simuliert sie einen größeren Raum und liefert damit ein repräsentativeres Bild des Universums. Vor allem aber flossen bislang nicht berücksichtigte Prozesse in die neuen Rechnungen ein, zum Beispiel die Rolle der zentralen massereichen Schwarzen Löcher in Galaxien.

Auch wenn Schwarze Löcher im Vergleich zu Galaxien geradezu winzig sind, beeinflussen sie deren Entwicklung ganz entscheidend. So beobachten Astronomen, dass junge Galaxien blau leuchten, da sich in ihnen viele heiße und damit blaue Sterne bilden. Irgendwann jedoch kommt es zu einem jähen Ende des stellaren Babybooms. Verantwortlich dafür sind laut der Simulation die massereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien: Verschlingen die Massenmonster große Mengen an Gas, entkommt ein Teil davon in zwei gegenläufigen Gasstrahlen, den sogenannten Jets. Diese Gasjets erreichen Geschwindigkeiten von bis zu zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit und blasen das restliche Gas – das Baumaterial für neue Sterne – aus der Galaxie heraus.

Quelle: F.A.Z.
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