Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie schwarze Löcher den Kosmos formen

01.02.2018

Astrophysiker aus Heidelberg, Garching und den USA haben neue Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien erzielt. Sie berechneten den Einfluss schwarzer Löcher auf die Verteilung der Dunklen Materie, die Produktion und Verbreitung schwerer Elemente im Kosmos und den Ursprung der Magnetfelder. Dazu programmierten sie ein neues Simulationsmodell für das Universum und erstellten die bisher umfangreichsten Simulationen dieser Art. Erste Ergebnisse des „IllustrisTNG“ Projekts wurden jetzt in drei Artikeln in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht. Sie sollen helfen, fundamentale Fragen der Kosmologie zu klären.

Im Zentrum jeder Galaxie sitzt ein supermassereiches schwarzes Loch. Wie diese Schwerkraftfallen die großräumige Struktur unseres Universums beeinflussen, zeigt jetzt ein neues Computersimulationsmodell. Beteiligt daran sind Forscher des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS) sowie der Universität Heidelberg, der Max-Planck-Institute für Astronomie (MPIA, Heidelberg) und für Astrophysik (MPA, Garching), der US-Universitäten Harvard und MIT, sowie dem Center for Computational Astrophysics in New York.


Dünner Schnitt durch die kosmische Großraumstruktur in der größten Simulation des Illustris-TNG Projekts.

IllustrisTNG


Visualisierung des Gasgeschwindigkeitsfeldes in einem dünnen Schnitt mit einer Dicke von 100 Kiloparsec. In der Bildmitte ist der zweitschwerste Galaxienhaufen in der TNG100 Simulation zu sehen.

IllustrisTNG

Das Projekt „Illustris – The Next Generation“ (IllustrisTNG) ist die bislang vollständigste Simulation dieser Art. Mithilfe grundlegender physikalischer Gesetzmäßigkeiten zeigt sie, wie sich unser Kosmos seit dem Urknall entwickelt hat. Einige der physikalischen Prozesse, die dabei eine Rolle spielen, wurden in IllustrisTNG überhaupt erstmals in eine derart umfangreiche Simulation einbezogen.

Ein realistisches Universum aus dem Computer

Das von IllustrisTNG vorausgesagte kosmische Netz aus Gas und Dunkler Materie beherbergt an seinen Kreuzungspunkten Galaxien, die gut zur Gestalt und Größe echter Galaxien passen. Zum ersten Mal konnte mit hydrodynamischen Simulationen auch das Verteilungsmuster der Galaxien im Raum detailliert berechnet werden. Vergleiche mit Beobachtungsdaten – inklusive neuester, umfangreicher Durchmusterungen – zeigen, wie realistisch die Ergebnisse der Simulationen sind.

Außerdem sagen die Simulationen voraus, wie sich das kosmische Netz im Laufe der Zeit verändert, insbesondere im Verhältnis zum darunter liegenden „Rückgrat“ des Kosmos aus Dunkler Materie. „Es ist besonders faszinierend, dass wir den Einfluss supermassereicher schwarzer Löcher auf die Verteilung Dunkler Materie auf großen Skalen genau voraussagen können“, meint Projektleiter Prof. Volker Springel (HITS, MPA, Universität Heidelberg). „Das ist entscheidend, um zukünftige kosmologische Messungen verlässlich auswerten zu können.“

Die wichtigste Transformation im Lebenszyklus von Galaxien

Wie wichtig der Einfluss schwarzer Löcher auf Galaxien ist, konnte Dr. Dylan Nelson (MPA) in einer weiteren Studie nachweisen. Sternbildende Galaxien strahlen hell im blauen Licht junger Sterne, bis ein plötzlicher Entwicklungsschub die Sternentstehung ausschaltet, so dass sie von alten, roten Sternen dominiert werden und sich zum Friedhof „alter und toter“ Galaxien hinzu gesellen.

„Das einzige physikalische Objekt, das in der Lage ist, die Sternentstehung in unseren großen elliptischen Galaxien auszulöschen, sind die supermassereichen schwarzen Löcher in ihren Zentren“, erklärt Dylan Nelson. „Die ultraschnellen Auswürfe dieser Schwerkraftfallen erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 10 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und beeinflussen riesige Sternsysteme, die milliardenfach größer sind als das vergleichsweise kleine schwarze Loch.“

Wie die Sterne stehen: Neue Erkenntnisse zum Aufbau von Galaxien

„IllustrisTNG“ hilft auch, den hierarchischen Aufbau der Galaxien besser zu verstehen. Schon lange vermuten Theoretiker, dass zunächst kleine Galaxien entstehen müssten, die dann zu immer größeren Objekten verschmelzen, zusammengezogen von der unerbittlichen Anziehungskraft der Schwerkraft. Bei zahlreichen solchen Galaxienkollisionen werden Galaxien förmlich zerrissen.

Ihre Sterne kreisen dann auf weiten Bahnen um neu entstandene große Galaxien, was ihnen ein schwaches Glimmen im Hintergrund verleihen müsste. Diese vorausgesagten „Lichthöfe“ sind aufgrund ihrer geringen Oberflächenhelligkeit nur sehr schwer zu beobachten – aber IllustrisTNG konnte genau simulieren, wonach Astronomen suchen sollten. „Unsere Voraussagen können von Beobachtern nun gezielt überprüft werden“, freut sich Dr. Annalisa Pillepich (MPIA), Autorin einer weiteren IllustrisTNG Studie. „So kann das theoretische Modell der hierarchischen Galaxienentstehung gezielt auf die Probe gestellt werden.“

Astrophysik mit Spezialcode und Supercomputer

Für das Projekt entwickelten die Forscher eine besonders leistungsfähige Version ihres hoch-parallelen bewegten Gitter-Codes AREPO und setzten ihn auf der „Hazel-Hen“ Maschine am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart ein, dem schnellsten deutschen Großrechner, der aktuell auf Platz 19 der Top 500 Supercomputer steht. „IllustrisTNG“ ist das bisher größte hydrodynamische Simulationsprojekt über die Entwicklung kosmischer Strukturen.

Für eine der beiden Hauptberechnungen arbeiteten mehr als 24000 Prozessoren über zwei Monate an der Entstehung von Millionen von Galaxien, in einer repräsentativen Region des Universums von knapp einer Milliarde Lichtjahre Kantenlänge. „Dank der Rechenzeit des deutschen Gauss Zentrums für Supercomputing konnten wir den Stand der Wissenschaft in diesem Bereich neu definieren“, erklärt Volker Springel.

„Die neuen Simulationen erzeugten mehr als 500 Terabyte Simulationsdaten. Die Auswertung dieses riesigen Datenberges wird uns noch über Jahre hinweg beschäftigen und verspricht viele weitere spannende Erkenntnisse über unterschiedliche astrophysikalische Prozesse.“

Die wissenschaftlichen Veröffentlichungen im Original:

• V. Springel, R. Pakmor, A. Pillepich, R. Weinberger, D. Nelson, L. Hernquist, M. Vogelsberger, S. Genel, P. Torrey, F. Marinacci, J. Naiman
“First results from the IllustrisTNG simulations: matter and galaxy clustering”, MNRAS, Feb 1st, 2018
• D. Nelson, A. Pillepich, V. Springel, R. Weinberger, L. Hernquist, R. Pakmor, S. Genel, P. Torrey, M. Vogelsberger, G. Kauffmann, F. Marinacci, J. Naiman
“First results from the IllustrisTNG simulations: the galaxy color bimodality”, MNRAS, Feb 1st, 2018
• A. Pillepich, D. Nelson, L. Hernquist, V. Springel, R. Pakmor, P. Torrey, R. Weinberger, S. Genel, J. Naiman, F. Marinacci, M. Vogelsberger
“First results from the IllustrisTNG simulations: the stellar mass content of groups and clusters of galaxies”, MNRAS, Feb 1st, 2018

Weiterführende Links:

Web-Seite des IllustrisTNG Projekts (mit weiteren Visualisierungen und Videos)
http://www.tng-project.org/

Gauss Centre for Supercomputing
http://www.gauss-centre.eu/

Hazel-Hen am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart
https://www.hlrs.de/systems/cray-xc40-hazel-hen/

Pressekontakt HITS:
Dr. Peter Saueressig
+49-6221-533 245
peter.saueressig@h-its.org
www.h-its.org

Pressekontakt MPIA:
Dr. Markus Pössel
+49-6221-528-228
pr@mpia.de
www.mpia.de

Pressekontakt MPA:
Dr. Hannelore Hämmerle
+49-89-30000-3980
hanneh@mpe.mpg.de
www.mpa-garching.mpg.de

Wissenschaftlicher Kontakt:

Prof. Dr. Volker Springel
Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) / Universität Heidelberg / MPA
+49-6221-533-241
volker.springel@h-its.org

Dr. Annalisa Pillepich
Max-Planck Institut für Astronomie (MPIA)
+49-6221-528-395
pillepich@mpia-hd.mpg.de

Dr. Dylan Nelson
Max-Planck Institut für Astrophysik (MPA)
+49-89-30000-2251
dnelson@mpa-garching.mpg.de

Weitere Informationen:

http://www.tng-project.org/ IllustrisTNG Website
http://www.tng-project.org/people/ Beteiligte Forscher und Institutionen
Zeitentwicklung der Stärke des kosmischen Magnetfeldes

Videos:

https://www.youtube.com/watch?v=4IIEJlSwuXo

https://www.youtube.com/watch?v=Ed9CC7s4NNQ

Dr. Peter Saueressig | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Astronomie Astrophysik Galaxien HITS Kosmos Löcher MPA Max-Planck Simulationen Sternentstehung Supercomputer

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

EMAG auf der AMB: Hochproduktive Lösungen für die vernetzte Automotive-Produktion

15.06.2018 | Messenachrichten

AchemAsia 2019 in Shanghai

15.06.2018 | Messenachrichten

Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen

15.06.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics