Simulation einer Galaxienkollision

Virgo – Simulation kosmischer Strukturentstehung

Die „Ursuppe“ aus Materie und Strahlung des frühen Universums zeigte winzige Dichteschwankungen, die von der Gravitation verstärkt wurden, bis die heutigen Strukturen entstanden. Aufwändige numerische Simulationen untersuchen diese Prozesse. Das Virgo-Konsortium mit Wissenschaftlern aus Deutschland, England, Kanada, Japan und den USA hat die bisher weltweit größten Simulationen des Universums durchgeführt.

Die winzigen Temperaturfluktuationen der kosmischen Mikrowellenstrahlung repräsentieren die Dichteschwankungen des Universums etwa 370.000 Jahre nach dem Urknall. Mit numerischen Simulationen entwickelt man diesen einfachen Anfangszustand weiter und schlägt damit eine Brücke vom Urknall bis zum komplexen Zustand des heutigen Universums.

Zweigeteiltes Bild der Strukturentstehungs-Simulation. Oben fast gleichmäßig verteilte Strukturen, Wolken und Filamente. Unten deutlich zusammengezogene Strukturen in wenigere Filamente und Cluster.
Die Millennium-Simulation

Ein Vergleich mit der beobachteten Materieverteilung überprüft dann die zugrunde liegende Vorstellung über die Natur des Universums und die Entstehung der Galaxien. Dunkle Materie und Dunkle Energie spielen eine entscheidende Rolle.

Der größte Teil der Materie im Universum besteht offenbar aus bisher noch nicht identifizierten, schwach wechselwirkenden Elementarteilchen. Die Gravitation, die von diesen Teilchen ausgeübt wird und der sie selbst folgen, ist entscheidend für die Entstehung und den Zusammenhalt kosmischer Objekte. Die Dunkle Materie ist gleichsam der Kitt, ohne den Galaxien und Galaxienhaufen auseinanderdriften würden.

Auf dem Computer kann man die Dunkle Materie als stoßfreies N-Teilchen-System modellieren. Man berechnet die Bahnen der Teilchen unter ihrer gegenseitigen Anziehung in einem expandierenden Universum und erhält so ein Modell der kosmischen Strukturentstehung. Man benötigt allerdings sehr effiziente Berechnungsverfahren, um die Gravitationskraft zwischen allen Teilchen genau zu bestimmen. Einfache Algorithmen skalieren mit dem Quadrat der Teilchenzahl und sind deshalb für große Simulationen unbrauchbar. Außerdem soll die Teilchenzahl möglichst groß sein, um die Treue des physikalischen Modells zu gewährleisten und auch kleine Galaxien aufzulösen.

Das Virgo-Konsortium hat deshalb neuartige Verfahren und Computerprogramme entwickelt, um die geballte Rechenleistung und den gesamten Speicher parallel vernetzter Supercomputer zu nutzen. Der Zusammenschluss vieler Computer ermöglicht, den dynamischen Bereich kosmischer Simulationen erheblich zu steigern, wenn auch um den Preis großer Komplexität der Berechnungsprogramme selbst, die auch die Kommunikation der Prozessoren und die Verteilung der Daten und der Rechenschritte steuern.

Die Millennium-Simulation

In der Mitte ein hellgelber Fleck, umgeben von einem asymmetrischen blauen Gebiet mit kleineren gelben Flecken. Außen Rot, in das noch einige blaue Fetzen hineinragen.
Simulation der Dunklen Materie in Halos

Im Jahr 2005 hat das Virgo-Konsortium die bis dahin größte Simulation der kosmischen Strukturbildung vorgestellt, mit mehr als zehn Milliarden Teilchen. Ein Superrechner der Max-Planck-Gesellschaft in Garching mit 512 Prozessoren benötigte dafür fast einen Monat, wobei der gesamte Hauptspeicher von einem Terabyte gerade noch ausreichte. Diese „Millennium-Simulation“ liefert eine detaillierte Beschreibung kosmischer Strukturbildung über einen Zeitraum von fast 14 Milliarden Jahren, vom frühen Universum bis heute, in einem Raumgebiet, das mehr als 2,3 Milliarden Lichtjahre Kantenlänge umfasst. Dies entspricht dem Volumen der größten bisher durchgeführten systematischen Galaxienbeobachtungen, wie dem Sloan Digital Sky Survey oder dem 2dF Galaxy Redshift Survey. Ein Hauptziel der Simulation ist, die Entstehung von etwa zwanzig Millionen Galaxien auf dem Computer detailliert zu verfolgen und die berechneten Eigenschaften mit den Beobachtungen zu vergleichen. Auf diese Weise lassen sich die Vorstellungen zur „hierarchischen Galaxienentstehung“ prüfen und weiterentwickeln.

Die Simulation erlaubt die Entwicklung neuer kosmologischer Tests, mit denen man der mysteriösen Dunklen Energie auf die Spur kommen könnte, die zu einer beschleunigten Expansion des heutigen Universums führt. So sollten etwa die akustischen Schwingungen zwischen dem wie eine Flüssigkeit wirkenden Gemisch aus Baryonen und Photonen und der Dunklen Materie im frühen Universum zu Massenfluktuationen auf großen Skalen führen. Ob diese charakteristischen Muster den Prozess der Strukturentstehung allerdings bis heute überlebt haben, lässt sich nur mit Rechnungen wie der Millennium-Simulation klären.

Simulation: Mehrere Stadien einer Galaxienkollision. Oben zwei getrennte Galaxien, die nach und nach verschmelzen.
Simulationen von Galaxienkollisionen

Numerische Simulationen liefern auch die genaue nichtlineare Massenverteilung,  die sich aus der kosmischen Strukturentstehung mit Kalter Dunkler Materie ergibt. Dieser entscheidende Schritt erlaubt beispielsweise, die gravitative Lichtablenkung an Massenkonzentrationen wie Galaxienhaufen präzise zu berechnen. Ein Vergleich mit Beobachtungen dieser Gravitationslinseneffekte liefert eine neuerliche Überprüfung der kosmologischen Modelle.

Auch die Bestimmung der inneren Struktur galaktischer Halos beruht fast ausschließlich auf Simulationen. Mit konkreten teilchenphysikalischen Modellen der Dunklen Materie kann man dann die Annihilationsraten der Teilchen berechnen, die dann etwa mit den vom H.E.S.S.- oder MAGIC-Gammateleskop gemessenen Strahlungsflüssen verglichen werden.

Ausblick

Die Weiterentwicklung der Simulationsprogramme und die raschen Fortschritte der Computertechnologie erlauben in Zukunft noch präzisere Modelle kosmischer Strukturentstehung. Insbesondere sollte es möglich werden, die komplexe Physik der Sternentstehung und des gleichzeitigen Wachstums superschwerer Schwarzer Löcher direkt in Computermodelle einzubeziehen. Schon heute sind die Simulationen unverzichtbarer Bestandteil astrophysikalischer Theoriebildung. Diese Bedeutung wird noch steigen, gerade für die Galaxienentstehung mit ihrem besonders komplexen Zusammenspiel vielfältiger physikalischer Prozesse.