Astrophysiker haben das gewaltige Gewicht von Deutschlands schnellstem Computer genutzt, um die detaillierteste Simulation des Universums zu erstellen, die je gesehen wurde.
Die Simulation namens Illustris:The Next Generation oder IllustrisTNG modelliert ein würfelförmiges Universum, etwas kleiner als unser eigenes, aber mit vielen der Merkmale, die Experten gesehen haben oder von denen sie glauben, dass sie existieren.
Aufbauend auf der ursprünglichen Illustris-Simulation, die 350 Millionen Lichtjahre pro Seite misst, verfolgt IllustrisTNG die Entstehung von Millionen von Galaxien in einer repräsentativen Region eines Universums mit fast einer Milliarde Lichtjahren pro Seite.
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Das von IllustrisTNG simulierte kosmische Netz aus Gas und dunkler Materie zeigt die Entstehung von Galaxien, die in Form und Größe echten Galaxien ähneln. Zum ersten Mal könnten solche hydrodynamischen Simulationen „das detaillierte Clustering-Muster von Galaxien im Weltraum direkt berechnen“ und ein viel realistischeres Bild des fernen Universums vermitteln als Beobachtungsdaten – wie die Daten des leistungsstarken Sloan Digital Sky Survey – können aufdecken.
„Wenn wir Galaxien mit einem Teleskop beobachten, können wir nur bestimmte Größen messen“, sagt Shy Genel, Associate Research Scientist am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute. „Mit der Simulation können wir alle Eigenschaften all dieser Galaxien verfolgen. Und nicht nur, wie die Galaxie jetzt aussieht, sondern ihre gesamte Entstehungsgeschichte.“
Die Kartierung der Entwicklung von Galaxien könnte Geheimnisse darüber enthüllen, wie unsere eigene Milchstraße aussah, als die Erde entstand, und wie sich unsere Galaxie in Zukunft verändern könnte.
Die Simulationen sagen auch voraus, wie sich das kosmische Netz im Laufe der Zeit verändert, insbesondere in Bezug auf die dunkle Materie. „Besonders faszinierend ist, dass wir den Einfluss supermassiver Schwarzer Löcher auf die großräumige Verteilung von Materie genau vorhersagen können“, sagt Volker Springel, Projektleiter am Heidelberger Institut für Theoretische Studien. „Dies ist entscheidend für die zuverlässige Interpretation bevorstehender kosmologischer Messungen.“
Für das Projekt entwickelten Forscherinnen und Forscher aus fünf Institutionen eine besonders leistungsfähige Codeversion und setzten sie auf der Hazel Hen-Maschine, Deutschlands schnellstem Großrechner, am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart ein.
Zu diesen Institutionen gehörten die Max-Planck-Institute für Astronomie und Astrophysik, die Harvard University, das Massachusetts Institute of Technology und das Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute, und ihre Ergebnisse werden in drei Artikeln in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht .
Die Teams verwendeten im Laufe von zwei Monaten mehr als 24.000 Prozessoren, um mehr als 500 Terabyte an Daten zu generieren. „Die Analyse dieses riesigen Datenbergs wird uns noch Jahre beschäftigen und verspricht viele spannende neue Einblicke in verschiedene astrophysikalische Prozesse“, erklärt Springel.
Es könnte zum Beispiel neue Erkenntnisse darüber liefern, wie Schwarze Löcher mit dunkler Materie interagieren und deren Verteilung verändern, wie schwere Elemente produziert und verteilt werden und woher Magnetfelder kommen.
Anhand der Daten konnte Dylan Nelson, Forscher am MPA, bereits den Einfluss von Schwarzen Löchern auf Galaxien nachweisen. Sternentstehungsgalaxien leuchten hell im blauen Licht ihrer jungen Sterne, bis eine plötzliche evolutionäre Verschiebung die Entstehung der Sterne stoppt, was bedeutet, dass die Galaxie von alten, roten Sternen dominiert wird und sich einem Friedhof voller alter und toter Galaxien anschließt.
„Die einzige physikalische Einheit, die in der Lage ist, die Sternentstehung in unseren großen elliptischen Galaxien auszulöschen, sind die supermassiven Schwarzen Löcher in ihren Zentren“, erklärte Nelson. „Die ultraschnellen Ausströmungen dieser Gravitationsfallen erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 10 % der Lichtgeschwindigkeit und wirken sich auf riesige Sternensysteme aus, die milliardenfach größer sind als das vergleichsweise kleine Schwarze Loch selbst.“
Bild:Zusammenarbeit mit IllustrisTNG