Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Österreichisch-chinesische Forschungsgruppe simuliert Galaxien

02.02.2012
Wissenschafter der Universität Wien und des National Astronomy Observatory of China (NAOC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften modellieren die Entstehung einer Galaxie am Computer.
Im Rahmen des Projekts wurde erstmals ein numerischer Code zur Simulation von Galaxien entwickelt. Das ist eine unglaublich komplexe Aufgabe, die immense Rechenleistungen erfordert. Unterstützt werden sie dabei von einem der weltweit größten Rechen-Cluster für Graphical Processing Units (GPU) in Beijing und vom schnellsten Rechner Österreichs, dem Vienna Scientific Cluster.

Das Leben und die Wechselwirkung von Galaxien mit ihrer Umgebung sind Gegenstand eines Projekts in "Computational Astrophysics", das im Rahmen des Austauschprogramms für Wissenschaftlich-Technische Zusammenarbeit (WTZ) vom Österreichischen Austauschdienst (OeAD) und dem chinesischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie durchgeführt wird.

Nummerisches Modell eines galaktischen Windes einer Zwerggalaxie im ersten Sternentstehungsausbruch, vier Stadien im Laufe von 1 Mrd. Jahren (rot: heißes Gas, grün: kühle Wolken, blau: Sterne). (Credit: Lui L., Petrov M., Berzik P., Hensler G., Spurzem R.)


Zum Vergleich mit dem 0,1 Gigajahr alten Modell ein Kompositbild der Galaxie M82, einer Galaxie gleichen Typs, allerdings schon über 10 Mrd. Jahre alt, so dass eine ausgedehnte Sternscheibe (grünlich) besteht, mit heißem ausströmendem Gas in Blau und roten Filamenten von warmem Staub.
(Credit: NASA/JPL-Caltech/STScI/CXC/UofA)

Leiter des Forschungsvorhabens sind der Astrophysiker Gerhard Hensler von der Universität Wien und sein Kollege in China, Rainer Spurzem vom NAOC der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Beijing (zeitweise auch Universität Heidelberg). Darüber hinaus ist Weipeng Lin, Professor am NAOC in Shanghai, ein weiteres Institut der Akademie, Partner.

Im Rahmen des Kooperationsprojekts "High-Performance Computational Astrophysics" wird die Entwicklung und Anwendung eines "chemo-dynamischen Mehr-Phasen smoothed particle hydrodynamic Code" (cdSPH) auf die Entstehung und Entwicklung von Zwerggalaxien durchgeführt. Das erfordert Berechnungen auf Hochleistungscomputern und gegenseitige Kooperationsbesuche.

Die Dimensionen der astronomischen Objekte – Sterne und Galaxien –, die in der Gruppe um Gerhard Hensler, Dekan der Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie der Universität Wien, erforscht werden, sind für das normale menschliche Vorstellungsvermögen schwer fassbar. Alleine die Milchstraße, die "Heimatgalaxie" unseres Planetensystems, misst im Durchmesser rund 100.000 Lichtjahre und beherbergt 100 Milliarden Sterne und wahrscheinlich zig Millionen Planetensysteme wie das unsere. "Die einzige Möglichkeit Galaxien und ihre permanenten Veränderungsprozesse zu beschreiben, ist die Simulation bzw. Modellierung am Computer. Und diese wollen wir im Zuge der neuen Kooperation mit China optimieren", erklärt Hensler.
Die numerische Behandlung einer Galaxie

Als Ausgangspunkt dienen Objekte im All, die nur durch Teleskope betrachtet werden können. Diese Beobachtungen werden am Computer "nachgebaut", um beide – Realität und Modell – miteinander zu vergleichen. Hierzu ist es notwendig, die Komponenten der Galaxien, Gas, Sterne und – falls existent – Dunkle Materie, so detailliert wie möglich zu beschreiben. So findet man Sterne im Bereich von ein Zehntel bis zu rund dem Hundertfachen der Sonnenmasse und mit Lebensdauern von 10 Mio. Jahren bis (eigentlich) über das Alter des Universums hinaus, also 13,7 Mrd. Jahre. Die "kurzlebigen" Sterne explodieren als Supernovae und werfen dabei über 90 Prozent ihrer Masse in das Universum zurück.

Sterne wiederum entstehen aus einer kühlen Komponente des Gases, auch interstellares Medium genannt, das den Raum zwischen den Sternen ausfüllt. Dabei erreicht es z.T. Dichten, wo sich nur ein Atom in einem Kubikmeter des Raumes befindet, also 0,(mit 26 Nullen)16 kg, wohingegen unsere Atmosphäre an der Erdoberfläche rund 1 kg pro Kubikmeter besitzt. Darüber hinaus schwanken die Temperaturen des interstellaren Mediums von 10 Kelvin, also knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts bei -273 Grad Celsius, bis zu mehreren 10 Mio. Grad Celsius.

Modellierung von Galaxien

Da eine Galaxie von ihrer Umgebung beeinflusst wird, also mit anderen Galaxien wechselwirkt oder extragalaktisches Gas einfängt, muss in numerischen Simulationen eine Dimension von weit mehr als 100.000 Lichtjahren "überschaut" werden, während die Sternentstehung in "kleinen" Gaswolken von wenigen bis zu zig Lichtjahren Durchmessern vorkommt. "Galaxien sind unglaublich komplexe Systeme. Zuerst bereiten wir die Galaxienbedingungen für den Computer vor. Dazu zerteilen wir sie in ihre Komponenten, repräsentiert durch Millionen von Massenpaketen, dann geben wir die sie beeinflussenden inneren und äußeren Kräfte und Prozesse ein, wie etwa Gravitation, Abkühlung, Erwärmung oder Gaszusammensetzung und die Wechselwirkungen zwischen ihnen, wie Sternentstehung und stellaren Massenverlust. Anschließend werden die Bereiche oder Teilchen für einen begrenzten Zeitschritt auf die Prozessoren des Computers verteilt, entsprechend den Kräften und Prozessen durchgerechnet und danach mit allen anderen wieder verbunden. Dadurch werden die globalen Einflüsse der einzelnen Bereiche ermittelt, bevor alles wieder parallel auf die Prozessoren verteilt wird. Der jeweilige Status des Modells ist während des Rechenvorgangs jederzeit abrufbar. Am Schluss steht das fertige Modell der Entwicklung einer Galaxie", so Astrophysiker Hensler.

Vienna Scientific Cluster (VSC)

Der Vienna Scientific Cluster, der schnellste Rechner Österreichs, wird von der Gruppe um Hensler für große Modellrechnungen mit hoch-parallelisierten Gitterverfahren genutzt und "ist in allen seinen bisherigen Ausbaustufen eine immense Hilfe bei der Bewerkstelligung von High-performance Computing (HPC)". Der Supercomputer wurde im Herbst 2009 von der Universität Wien, der Technischen Universität und der Universität für Bodenkultur in Betrieb genommen, 2011 wurde die Ausbaustufe VSC2 eröffnet.
"In den Grafikkarten normaler PCs befinden sich allerdings auch bereits sehr leistungsfähige Prozessoren, sogenannte Graphical Processing Units (GPU), die zwar weniger 'intelligent' sind, beim Zusammenfassen zu einem Cluster aber unschlagbar schnell", so Hensler.

Zusätzliche Rechenleistung in China

Am National Astronomical Observatory of China (NAOC) der Chinese Academy of Sciences (CAS) in Beijing wurde 2009 einer der schnellsten GPU-Cluster mit 171 GPUs (bei 1.368 sogenannten Threads) für nur rund 5 Mio. Yuan installiert, der 2011 für seine Leistung von 50 Teraflops (das sind 50.000 Mrd. floating-point Operationen pro Sekunde) mit dem "PRACE Award of the International Supercomputing Conference ISC11" ausgezeichnet wurde. Zusätzlich haben die projektbeteiligten Wissenschafter aus Beijing Zugriff auf das Mole-8.5-System am Institute of Process Engineering (IPE, CAS) mit über 2.000 GPUs, die eine Leistung im Petaflop-Bereich erzielen.

Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dipl-.Phys. Dr. Gerhard Hensler
Institut für Astronomie
Universität Wien
1180 Wien, Türkenschanzstraße 17
T +43-664-602 77-518 95
gerhard.hensler@univie.ac.at

Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Öffentlichkeitsarbeit
Universität Wien
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-602 77-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at

Veronika Schallhart | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.univie.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten