TNG50 (1): Computersimulation zeigt, wie sich das Universum entwickelte und aus Chaos allmählich Ordnung entstand
(MP/HOR) – Galaxien gelten als die größten Bausteine im Universum. Wie aber wurden sie geboren? Wie haben sie sich entwickelt? Um den Antworten auf diese Fragen näher zu kommen, hat ein internationales Team – darunter auch Forschende aus den Max-Planck-Instituten für Astronomie und Astrophysik – das All in den Computer gepackt.
Das Ergebnis heißt Illustris TNG50 und ist die bisher detailreichste kosmologische Großsimulation. Sie zeigt erstmals, dass die Geometrie der kosmischen Gasflüsse in und um Galaxien die Struktur dieser Sternsysteme beeinflusst. Umgekehrt ergeben sich die Eigenschaften der Gasflüsse aus der Entwicklung der Galaxien. Astronomen, die den Kosmos simulieren, stecken in einem Dilemma: Wegen der begrenzten Rechenleistung sind typische Simulationen entweder sehr detailgetreu, oder sie umfassen ein großes Volumen im virtuellem Raum.
Detaillierte Simulationen mit kleinem Volumen können jedoch nur ein paar Galaxien modellieren; das erschwert statistische Rückschlüsse. Großräumigen Simulationen wiederum fehlen typischerweise die notwendigen Details, um wichtige Eigenschaften des realen Universums zu erklären; das reduziert deutlich ihre Vorhersagekraft. Mit TNG50 gelang es den Forschenden erstmals, eine großräumige kosmologische Simulation mit der hohen Auflösung einer detaillierten Simulation zu verbinden, wie sie bisher nur für Untersuchungen einzelner Galaxien möglich war.
In einem virtuellen würfelförmigen Ausschnitt des Weltalls mit Seitenlängen von 230 Millionen Lichtjahren kann TNG50 physikalische Phänomene darstellen, die auf einer vergleichsweise kleinen Skala auftreten und so die gleichzeitige Entwicklung Tausender von Galaxien über 13,8 Milliarden Jahre kosmischer Geschichte hinweg verfolgen. Die Bausteine der Simulation sind dabei 20 Milliarden Teilchen, die Dunkle Materie, Sterne, kosmisches Gas, Magnetfelder und supermassereiche schwarze Löcher darstellen. Die Berechnung selbst erforderte 16.000 Computerkerne (cores) auf dem Supercomputer Hazel Hen in Stuttgart, die mehr als ein Jahr lang rund um die Uhr gearbeitet haben – das entspricht 15.000 Jahren Rechenzeit auf einem einzigen Prozessor. TNG50 ist damit eine der anspruchsvollsten astrophysikalischen Simulationen überhaupt.
Zu den ersten wissenschaftlichen Ergebnissen von TNG50, die jetzt ein Team unter der Leitung von Annalisa Pillepich (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg) und Dylan Nelson (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching) veröffentlicht hat, zählen auch einige durchaus unerwartete Phänomene. „Numerische Experimente dieser Art sind besonders erfolgreich, wenn mehr herauskommt, als man hineingesteckt hat“, sagt Nelson. In der Simulation tauchten Phänomene auf, welche die Wissenschaftler nicht explizit programmiert hatten. „Diese Phänomene ergeben sich auf natürliche Weise aus dem Zusammenspiel der grundlegenden physikalischen Bestandteile unseres Modelluniversums.“
Die neue Simulation liefert dafür zwei eindrückliche Beispiele. Zum einen geht es um die Entstehung von Scheibengalaxien wie unserer eigenen Milchstraße. Mit TNG50 als „Zeitmaschine“ konnten die Forscher die kosmische Geschichte zurückspulen und sich dann systematisch ansehen, wie die schnell rotierenden Scheibengalaxien mit ihren geordneten Sternbewegungen aus den chaotischen, ungeordneten und hoch turbulenten Gaswolken früherer Epochen hervorgehen. Nach und nach kommt das Gas dabei zur Ruhe. Sterne, die aus diesem Gas entstehen, finden sich damit immer häufiger auf Kreisbahnen und bilden schließlich eine große Spiralgalaxie als eine Art galaktisches Karussell.
[FORTSETZUNG FOLGT IN TEIL 2 DES BERICHTS MORGEN AN DIESER STELLE]
Verfasst von: Redaktion
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