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Kosmologie

Der Kosmos im Computer

Mittels der Computersimulation IllustrisTNG gelang die detaillierteste Modellierung der Entstehung von Galaxien und der Rolle der extrem massereichen Schwarzen Löcher im Universum. Sie wurde auf dem schnellsten deutschen Großrechner durchgeführt.
Simulation der großräumigen Struktur des Kosmos

Ein internationales Team von Astrophysikern unter der Leitung von Volker Springel am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) stellte die weltweit aufwändigste Computersimulation des Universums und der Entstehung und Entwicklung von Galaxien vor. Dabei konnten die Forscher den Einfluss Schwarzer Löcher auf die Verteilung der rätselhaften Dunklen Materie modellieren, die sich nur durch ihre Schwerkraft bemerkbar macht. Zudem untersuchten sie mittels des Simulationsmodells, wie im Universum Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium durch Fusionsprozesse entstehen und sich über die kosmischen Weiten ausbreiten. Die Simulation trägt den Namen IllustrisTNG, wobei TNG für The Next Generation steht.

Für IllustrisTNG, die mehr als 30 Milliarden Volumenelemente und Materieteilchen gleichzeitig berücksichtigt, haben Springel und seine Koautoren den leistungsstärksten deutschen Großrechner mit dem Namen Hazel-Hen am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart eingespannt. Er erreicht Platz 19 auf der Top 500 der leistungsstärksten Großrechner weltweit. Für eine Hauptberechnung der Simulation mussten gleichzeitig 24 000 Prozessoren rund zwei Monate arbeiten. Im simulierten Raum mit einer Kantenlänge von rund einer Milliarde Lichtjahre, der repräsentativ für das gesamte Universum sein soll, entstanden mehrere Millionen Galaxien und entwickelten sich über lange Zeiträume hinweg. Dabei wurden erstmals auch hydrodynamische Eigenschaften der Materie detailliert berücksichtigt.

Geschwindigkeitsverteilung von Gasen in einem Galaxienhaufen (Simulation von IllustrisTNG)
Geschwindigkeitsverteilung von Gasen in einem Galaxienhaufen | Dieses Bild gibt die Geschwindigkeiten von Gas in einem simulierten, sehr massereichen Galaxienhaufen wieder und wurde im Rahmen des Projekts IllustrisTNG erzeugt. In den dunklen Bildbereichen bewegt sich das Gas kaum, während in den hellen bis weißen Gebieten Geschwindigkeiten von mehr als 1000 Kilometern pro Sekunde (3,6 Millionen Kilometer pro Stunde) erreicht werden. Im Umfeld des Galaxienhaufens bewegt sich das Gas ruhig und langsam, während es im Schwerefeld des Haufens schnell und chaotisch strömt.

Im simulierten Raum bildete sich wie im echten Universum ein kosmisches Netz aus Gas und Dunkler Materie aus. Dabei finden sich an den Kreuzungspunkten des Netzes Galaxien, deren berechnete Eigenschaften gut mit den Beobachtungen echter Welteninseln übereinstimmen. Erstmal ergaben sich mit IllustrisTNG auch realistische Verteilungsmuster der Galaxien. Aus den Simulationen lassen sich Aussagen ableiten, wie sich dieses kosmische Netz über lange Zeiträume hinweg verändert, insbesondere im Hinblick auf die Dunkle Materie.

IllustrisTNG beleuchtete auch die Rolle der zentralen massereichen Schwarzen Löcher in Galaxien. Junge Galaxien leuchten blau, da sich in ihnen große Mengen an massereichen heißen Sternen gleichzeitig bilden. Plötzlich aber bricht die Sternentstehung ab, die kurzlebigen massereichen Sterne vergehen innerhalb weniger Dutzend Millionen Jahre. Zurück bleiben die kleinen und langlebigen Sterne ähnlich unserer Sonne oder noch masseärmer. Sie leuchten gelb oder rötlich, so dass solche Galaxien scherzhaft auch als "rot und tot" bezeichnet werden. Schuld an diesem Entwicklungsstopp sind die zentralen Schwarzen Löcher. Sie verschlingen große Mengen an Materie, wobei sie einen Teil davon in zwei extrem schnellen Gasstrahlen, den Jets, ausstoßen. Diese erreichen Geschwindigkeiten von bis zu zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Die Jets fegen auf ihrem Weg alle Ansammlungen von Gas und Staub aus der Galaxie heraus, so dass es für die Sternentstehung kein Rohmaterial mehr gibt und diese mangels Nachschub abbricht.

Die Auswertung von IllustrisTNG hat gerade erst begonnen und wird die beteiligten Forscher noch über Jahre hinaus beschäftigen. Insgesamt wurden rund 500 Terabyte an Daten erzeugt, ein riesiger Datenberg, dessen Schätze noch gehoben werden müssen.

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