Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Galaxien aus dem Großrechner

08.05.2014

Neue Computersimulation zeigt die Entstehung von Galaxien mit bisher nicht erreichter Präzision. Astrophysiker aus Heidelberg, den USA und England bestätigen damit indirekt das Standardmodell der Kosmologie.

Galaxien enthalten typischerweise einige hundert Milliarden Sterne und zeigen vielfältige Formen und Größen. Ihre Entstehungsgeschichte ist eines der größten und komplexesten Probleme in der Astrophysik.


Verschiedene Ansichten der Illustris-Simulation auf unterschiedlichen Skalen. Den AREPO-Code für die Simulation schrieb der Astrophysiker Volker Springel (HITS).

Bild: Illustris


Bilder der simulierten Population von Galaxien, die entlang der klassischen Hubble-Sequenz („Stimmgabel“-Diagramm) für die morphologische Einteilung arrangiert sind.

Bild: Illustris

Wissenschaftlern am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) ist es nun zusammen mit einem internationalem Team von Forschern am MIT, der Harvard University und weiteren Institutionen gelungen, die Physik der Galaxienentstehung in einem riesigen Raumbereich mit sehr hoher Genauigkeit zu simulieren.

Im Fachjournal Nature berichten sie, dass dabei erstmals ein realistischer Mix aus elliptischen Galaxien und Spiralgalaxien entstand. Die Simulation kann auch erklären, wie sich schwere Elemente (sogenannte „Metalle“) in neutralem Wasserstoffgas anreichern. Zudem sind die berechneten Galaxien im Raum so verteilt, wie es mit Teleskopen beobachtet wird. Die Datenmenge des „Illustris“ genannten Projekts umfasst mehr als 200 Terabyte und erforderte die Rechenkraft von mehr als 8000 Prozessoren für mehrere Monate.

Möglich wurde die Simulation durch den am HITS entwickelten AREPO-Code für kosmische Strukturentstehung und die Supercomputer CURIE in Frankreich und SuperMUC in Deutschland. Das von den Forschern erzeugte virtuelle Universum erlaubt eine Vielzahl neuartiger Voraussagen und damit eine umfassende Prüfung der kosmologischen Theorien zur Galaxienentstehung.

Das kosmologische Standardmodell basiert auf der Hypothese, dass das Universum von unbekannten Materie- und Energieformen dominiert wird. Zwar kennen wir die wahre physikalische Natur dieser Dunklen Materie und Dunklen Energie noch nicht, dennoch kann man ihre Konsequenzen mit Supercomputern nachvollziehen.

Bisherige Simulationen des Kosmos erzeugten dabei ein kosmisches Netz aus Materieklumpen, das der Verteilung der Galaxien zumindest ähnelte. Sie konnten aber keine elliptischen und Spiralgalaxien schaffen und die eng verzahnte Entwicklung von interstellarem Gas und den Sternen auf kleinen Skalen nachvollziehen. In dem ambitionierten „Illustris-Projekt“ sind die Kosmologen bei diesem Problem nun ein großes Stück weiter gekommen.

In der weltweit größten hydrodynamischen Simulation der Galaxienentstehung wurde eine Region mit einer Ausdehnung von etwa 350 Millionen Lichtjahren über einen Zeitraum von über 13 Milliarden Jahren verfolgt, beginnend 12 Millionen Jahre nach dem Urknall. Über diesen Zeitraum bilden sich aus der „Ursuppe“ aus Wasserstoff, Heliumgas und Dunkler Materie mit der Zeit immer größere Verklumpungen, zusammengetrieben durch die Wirkung der Schwerkraft.

Schließlich formen sich galaktische Sternsysteme, deren Wachstum durch ein komplexes Zusammenspiel von Strahlungsprozessen, hydrodynamischen Stoßwellen, turbulenten Strömungen, Sternentstehung, Supernova-Explosionen und der Energieeinspeisung wachsender superschwerer Schwarzer Löcher reguliert wird. Alle diese physikalischen Prozesse konnte das Illustris-Team in seiner neuen Supercomputer-Simulation mit dem Code AREPO berechnen. AREPO ist ein sogenannter „moving mesh code“, der das simulierte Universum nicht in ein starres Gitter einteilt, sondern bewegliche und veränderliche Gitter verwendet und so die Größen- und Masseunterschiede zwischen den einzelnen Galaxien besonders genau verarbeiten kann.

Die Hauptsimulation des Projekts hat dabei mehr als 18 Milliarden Teilchen und Zellen eingesetzt und überbrückt einen dynamischen Bereich von mehr als einer Million pro Raumdimension – um ähnlich kleine Details darzustellen, müsste ein Foto eine Million Megapixel groß sein. Der Speicherverbrauch der Illustris-Simulation von mehr als 25 Terabyte und das erzeugte Datenvolumen von mehr als 200 Terabyte setzen in der Kosmologie eine neue Rekordmarke. Diese Datenflut erlaubt es, die Entstehungsgeschichte von etwa 50.000 gut aufgelösten Galaxien im Detail zu studieren und theoretische Voraussagen für kosmische Strukturentstehung mit hoher Genauigkeit zu machen.

Die jahrelangen Vorbereitungen auf die Simulationen haben sich gelohnt: Erstmals kann das berühmte „Stimmgabel-Diagramm“ der Morphologie von Galaxien, das auf Edwin Hubble zurückgeht, reproduziert werden (siehe Abbildung 1). Dr. Mark Vogelsberger (MIT), Erstautor der in Nature erschienenen ersten Studie zu Illustris, meint: „Es ist bemerkenswert, dass die Anfangsbedingungen des Universums, die wir kurz nach dem Urknall beobachten, tatsächlich Galaxien von der richtigen Größe und Gestalt hervorbringen.“

Indirekt kann das als eine Bestätigung des Standardmodells der Kosmologie angesehen werden. „Endlich können wir die alten groben Modelle der Galaxienentstehung hinter uns lassen und nicht nur die Dunkle Materie präzise berechnen“, freut sich Prof. Volker Springel, Leiter der Forschungsgruppe „Theoretical Astrophysics“ am HITS und Autor des AREPO-Codes, und ergänzt: „Die Ergebnisse von Illustris markieren einen Umbruch in theoretischen Studien der Galaxienentstehung.“ Abbildung 2 zeigt einen Überblick über die astrophysikalischen Größen, die von diesem „Universum im Supercomputer“ vorausgesagt werden.

Pressekontakt:
Dr. Peter Saueressig
Public Relations
Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS)
Tel.: +49-6221-533-245
Fax: +49-6221-533-298
peter.saueressig@h-its.org
www.h-its.org

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

Die wissenschaftliche Veröffentlichung im Original:
M. Vogelsberger, S. Genel, V. Springel, P. Torrey, D. Sijacki, D. Xu, G. Snyder, S. Bird, D. Nelson, L. Hernquist
“Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation”, Nature, May 8th, 2014, doi:10.1038/nature13316

Weiterführende Links:
Web-Site des Illustris Projekts (mit weiteren Visualisierungen): http://www.illustris-project.org
Gauss Centre for Supercomputing http://www.gauss-centre.eu
SuperMUC am Leibniz Rechenzentrum http://www.lrz.de/services/compute/supermuc
AREPO-Code (V. Springel, 2010, MNRAS, 401, 791 http://mnras.oxfordjournals.org/content/401/2/791.full.pdf+html

Weitere Informationen:

http://www.h-its.org/deutsch/presse/pressemitteilungen.php?we_objectID=1079 HITS-Pressemitteilung
http://www.illustris-project.org Website des Illustris-Projekts mit weiterem Bild- und Videomaterial

Dr. Peter Saueressig | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Faserverstärkte Verbundstoffe schnell und präzise durchleuchten
12.11.2019 | Paul Scherrer Institut (PSI)

nachricht Die Selbstorganisation weicher Materie im Detail verstehen
12.11.2019 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: Magnetisches Tuning auf der Nanoskala

Magnetische Nanostrukturen maßgeschneidert herzustellen und nanomagnetische Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen, daran arbeiten Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und der Universität Glasgow. Zum Einsatz kommt ein spezielles Mikroskop am Ionenstrahlzentrum des HZDR, dessen hauchdünner Strahl aus schnellen geladenen Atomen (Ionen) periodisch angeordnete und stabile Nanomagnete in einem Probenmaterial erzeugen kann. Es dient aber auch dazu, die magnetischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu optimieren.

„Materialien im Nanometerbereich magnetisch zu tunen birgt ein großes Potenzial für die Herstellung modernster elektronischer Bauteile. Für unsere magnetischen...

Im Focus: Magnets for the second dimension

If you've ever tried to put several really strong, small cube magnets right next to each other on a magnetic board, you'll know that you just can't do it. What happens is that the magnets always arrange themselves in a column sticking out vertically from the magnetic board. Moreover, it's almost impossible to join several rows of these magnets together to form a flat surface. That's because magnets are dipolar. Equal poles repel each other, with the north pole of one magnet always attaching itself to the south pole of another and vice versa. This explains why they form a column with all the magnets aligned the same way.

Now, scientists at ETH Zurich have managed to create magnetic building blocks in the shape of cubes that - for the first time ever - can be joined together to...

Im Focus: A new quantum data classification protocol brings us nearer to a future 'quantum internet'

The algorithm represents a first step in the automated learning of quantum information networks

Quantum-based communication and computation technologies promise unprecedented applications, such as unconditionally secure communications, ultra-precise...

Im Focus: REANIMA - für ein neues Paradigma der Herzregeneration

Endogene Mechanismen der Geweberegeneration sind ein innovativer Forschungsansatz, um Herzmuskelschäden zu begegnen. Ihnen widmet sich das internationale REANIMA-Projekt, an dem zwölf europäische Forschungszentren beteiligt sind. Das am CNIC (Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares) in Madrid koordinierte Projekt startet im Januar 2020 und wird von der Europäischen Kommission mit 8 Millionen Euro über fünf Jahre gefördert.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen weltweit die meisten Todesfälle. Herzinsuffizienz ist geradezu eine Epidemie, die neben der persönlichen Belastung mit...

Im Focus: Göttinger Chemiker weisen kleinstmögliche Eiskristalle nach

Temperaturabhängig gefriert Wasser zu Eis und umgekehrt. Dieser Vorgang, in der Wissenschaft als Phasenübergang bezeichnet, ist im Alltag gut bekannt. Um aber ein stabiles Gitter für Eiskristalle zu erreichen, ist eine Mindestanzahl an Molekülen nötig, ansonsten ist das Konstrukt instabil. Bisher konnte dieser Wert nur grob geschätzt werden. Einem deutsch-amerikanischen Forschungsteam unter Leitung des Chemikers Prof. Dr. Thomas Zeuch vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen ist es nun gelungen, die Größe kleinstmöglicher Eiskristalle genau zu bestimmen. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Science erschienen.

Knapp 100 Wassermoleküle sind nötig, um einen Eiskristall in seiner kleinstmöglichen Ausprägung zu formen. Nachweisen konnten die Wissenschaftler zudem, dass...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Mediation – Konflikte konstruktiv lösen

12.11.2019 | Veranstaltungen

Hochleistungsmaterialien mit neuen Eigenschaften im Fokus von Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft

11.11.2019 | Veranstaltungen

Weniger Lärm in Innenstädten durch neue Gebäudekonzepte

08.11.2019 | Veranstaltungen

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

Die Selbstorganisation weicher Materie im Detail verstehen

12.11.2019 | Physik Astronomie

Magnetisches Tuning auf der Nanoskala

12.11.2019 | Physik Astronomie

»KaSiLi«: Bessere Batterien für Elektroautos »Made in Germany«

12.11.2019 | Energie und Elektrotechnik

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