Seit jeher haben Philosophen und Gelehrte versucht herauszufinden, wie die Existenz begann. Mit der Geburt der modernen Astronomie wurde diese Tradition fortgesetzt und das Gebiet der Kosmologie hervorgebracht. Und mithilfe von Supercomputing können Wissenschaftler Simulationen durchführen, die zeigen, wie die ersten Sterne und Galaxien in unserem Universum entstanden und sich im Laufe von Jahrmilliarden entwickelt haben.
Die umfangreichste und vollständigste Studie war bis vor kurzem die „ Illustrus “-Simulation, die den Prozess der Galaxienentstehung im Laufe der letzten 13 Milliarden Jahre untersuchte. Um ihren eigenen Rekord zu brechen, begann das gleiche Team vor kurzem mit dem Dirigieren eine Simulation bekannt als ' Illustris, die nächste Generation “ oder „IllustrisTNG“. Die erste Runde dieser Ergebnisse war vor kurzem veröffentlicht , weitere sollen folgen.
Diese Ergebnisse wurden in drei kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikeln veröffentlichtMonatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Das Illustris-Team besteht aus Forschern der Heidelberger Institut für Theoretische Studien , das Max-Planck-Institute für Astrophysik und für Astronomie , das Massachusetts Institute of Technology , Harvard University und die Zentrum für Computergestützte Astrophysik in New York.
Diese Abbildung zeigt die Entwicklung des Universums vom Urknall links bis zur Neuzeit rechts. Bild: NASA
Mit dem Supercomputer Hazel Hen am Hochleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) – eine der drei deutschen Supercomputing-Einrichtungen von Weltklasse, die die Gauss Center for Supercomputing (GCS) – führte das Team eine Simulation durch, die dazu beitragen soll, vorhandenes experimentelles Wissen über die frühesten Stadien des Universums zu verifizieren und zu erweitern – d. h. was von 300.000 Jahren nach dem Urknall bis heute geschah.
Um diese Simulation zu erstellen, kombinierte das Team Gleichungen (wie die Allgemeine Relativitätstheorie ) und Daten aus modernen Beobachtungen in einen massiven Rechenwürfel, der einen großen Querschnitt des Universums darstellt. Bei einigen Prozessen wie der Sternentstehung und dem Wachstum von Schwarzen Löchern waren die Forscher gezwungen, sich auf Annahmen zu verlassen, die auf Beobachtungen basieren. Anschließend setzten sie numerische Modelle ein, um dieses simulierte Universum in Bewegung zu setzen.
Im Vergleich zu ihrer vorherigen Simulation bestand IllustrisTNG aus 3 verschiedenen Universen mit drei verschiedenen Auflösungen – das größte davon maß 1 Milliarde Lichtjahre (300 Megaparsec) im Durchmesser. Darüber hinaus führte das Forschungsteam eine genauere Berücksichtigung von Magnetfeldern ein, wodurch die Genauigkeit verbessert wurde. Insgesamt verwendete die Simulation 24.000 Kerne auf dem Supercomputer Hazel Hen für insgesamt 35 Millionen Kernstunden.
Wie Prof. Dr. Volker Springel, Professor und Forscher am Heidelberger Institut für Theoretische Studien und Projektleiter in einem Gauss Center Pressemitteilung :
„Magnetfelder sind aus verschiedenen Gründen interessant. Der auf kosmische Gase ausgeübte magnetische Druck kann gelegentlich dem thermischen (Temperatur-)Druck entsprechen, was bedeutet, dass Sie diese Effekte verpassen und letztendlich Ihre Ergebnisse beeinträchtigen, wenn Sie dies vernachlässigen.“
Illustris Simulationsübersichtsposter. Zeigt die großräumigen Felder der Dunklen Materie und der Gasdichte in der Projektion (oben/unten). Bildnachweis: Illustris-Projekt
Ein weiterer wesentlicher Unterschied war die Aufnahme von Aktualisierte Physik des Schwarzen Lochs basierend auf jüngsten Beobachtungskampagnen. Dazu gehören Beweise, die eine Korrelation zwischen supermassiven Schwarzen Löchern (SMBHs) und der galaktischen Entwicklung belegen. Im Wesentlichen ist bekannt, dass SMBHs eine enorme Energiemenge in Form von Strahlung und Teilchenstrahlen aussenden, die eine hemmende Wirkung auf die Sternentstehung in einer Galaxie.
Während den Forschern dieser Prozess während der ersten Simulation sicherlich bewusst war, haben sie nicht berücksichtigt, wie er die Sternentstehung vollständig stoppen kann. Durch die Einbeziehung aktualisierter Daten zu Magnetfeldern und der Physik schwarzer Löcher in die Simulation stellte das Team eine größere Korrelation zwischen den Daten und Beobachtungen fest. Sie sind daher mit den Ergebnissen sicherer und glauben, dass es sich um die bisher genaueste Simulation handelt.
Aber als Dr. Dylan Nelson – Physiker am Max-Planck-Institut für Astronomie und Mitglied von llustricTNG – erklärt , werden zukünftige Simulationen wahrscheinlich noch genauer sein, vorausgesetzt, die Fortschritte bei Supercomputern gehen weiter:
„Erhöhte Speicher- und Verarbeitungsressourcen in Systemen der nächsten Generation werden es uns ermöglichen, große Mengen des Universums mit höherer Auflösung zu simulieren. Große Volumina sind wichtig für die Kosmologie, das Verständnis der großräumigen Struktur des Universums und die Erstellung zuverlässiger Vorhersagen für die nächste Generation großer Beobachtungsprojekte. Eine hohe Auflösung ist wichtig, um unsere physikalischen Modelle der Prozesse, die in unserer Simulation im Inneren einzelner Galaxien ablaufen, zu verbessern.“
Gasdichte (links) und magnetische Feldstärke (rechts) im Zentrum des massereichsten Galaxienhaufens. Credit: Illustris-Team
Möglich wurde diese neueste Simulation auch durch die umfangreiche Unterstützung der GCS-Mitarbeiter, die das Forschungsteam in Fragen der Codierung unterstützten. Es war auch das Ergebnis einer massiven Zusammenarbeit, die Forscher aus der ganzen Welt zusammenbrachte und ihnen die benötigten Ressourcen zur Verfügung stellte. Nicht zuletzt zeigt es, wie eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen angewandter Forschung und theoretischer Forschung zu besseren Ergebnissen führt.
Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, dass sich die Ergebnisse dieser neuesten Simulation als noch nützlicher als die letzte erweisen. Die ursprüngliche Illustris-Datenfreigabe gewann über 2.000 registrierte Benutzer und führte zur Veröffentlichung von 130 wissenschaftlichen Studien. Da dieser genauer und aktueller ist, erwartet das Team, dass er mehr Benutzer findet und zu noch mehr bahnbrechenden Forschungen führt.
Wer weiß? Vielleicht können wir eines Tages eine Simulation erstellen, die die Entstehung und Entwicklung unseres Universums mit absoluter Genauigkeit erfasst. Genießen Sie in der Zwischenzeit dieses Video der ersten Illustris-Simulation mit freundlicher Genehmigung von Teammitglied und MIT-Physiker Mark Vogelsberger:
