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Mittwoch, 07.12.2016
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Simulation als kosmische Zeitmaschine

Entwicklung unsers Universums seit dem Urknall – verblüffend realistisch simuliert

Kosmische Geschichte im Zeitraffer: Erstmals haben Forscher eine Simulation entwickelt, die erstaunlich genau nachvollzieht, wie unser Universum von seiner Frühzeit bis heute heranreifte. Das Besondere dabei: Die Simulation bildet sowohl großräumige Strukturen als auch das Geschehen innerhalb von Galaxien mit bisher unerreichter Realitätsnähe ab. Sie bestätigt zudem das gängige kosmologische Modell, so die Forscher im Fachmagazin "Nature".

Entwicklung des Universums von der Zeit zwölf Millionen Jahre nach dem Urknall bis heute

"Bisher hat es keine einzige Simulation geschafft, das Universum im großen wie im kleinen Maßstab zu reproduzieren", erklärt Erstautor Mark Vogelsberger vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Der Rechenaufwand war zu groß, um das komplexe Geschehen und die gigantischen Größenunterschiede abzubilden. Denn die Spanne reicht von interstellaren Gaswolken oder Galaxiencluster sich über Millionen Lichtjahre erstrecken bis zu atomaren Vorgängen in Galaxien und Sternen.

Daher konnte man entweder nur kleine Ausschnitte des Universums genauer simulieren oder aber die Entwicklung des großen Ganzen - dies aber so grob, dass Abläufe im Inneren von Galaxien nicht mehr aufgelöst werden konnten. Doch um zu prüfen, ob die gängigen kosmologischen Modelle stimmen, müsste man diese Formeln in Simulationen prüfen, die im Großen wie im Kleinen greifen.

Verteilung von Dunkler Materie und Gasfilamenten in einem Cluster der Simulation

Verteilung von Dunkler Materie und Gasfilamenten in einem Cluster der Simulation

Ein 350 Millionen Lichtjahre großer Würfel


Genau dies ist nun Vogelsberger und seinen Kollegen gelungen. – dank Fortschritten in der Computertechnik und einem geschickt angepassten Simulationsprogramm. "Beginnend in der Zeit etwa zwölf Millionen Jahre nach dem Urknall verfolgt unsere Simulation die Entwicklung von mehr als zwölf Milliarden Einzelpunkten in einem Volumen von 106,5 Kubikparsec bis zum heutigen Tag", erklären die Forscher. Der simulierte Ausschnitt entspricht damit einem Würfel mit einer Kantenlänge von 350 Millionen Lichtjahren.


Die Simulation umfasst dabei sowohl Dunkle als auch normale Materie und enthält neben Gaswolken mehr als 40.000 Galaxien und in jeder davon rund 500 Sterne. Um dies zu erreichen, modifizierten die Wissenschaftler einen Algorithmus, der aus der Hydrodynamik stammt und speisten ihn mit den Gleichungen, die gängiger Theorie nach die zeitliche Entwicklung der Materie im Universums beschreiben. Der Aufwand war immens: 16 Millionen Prozessorstunden benötigte die Berechnung der Simulation.

Erstaunlich realistisch – in Kleinen wie im Großen


Das Ergebnis aber ist verblüffend realistisch: Im Verlauf der Simulation entstehen wie im echten Universum erste Sterne und Galaxien. Ihre Verteilung und Zusammensetzung entspricht dabei ziemlich genau dem, was astronomische Beobachtungen zeigen, wie die Forscher berichten.

Um die Wirklichkeitstreue zu überprüfen, verglichen die Forscher Momentaufnahmen aus verschiedenen Stadien der Simulation mit Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops von weit entfernten - und damit ähnlich alten – Galaxien. Legten sie die realen Daten der sogenannten Hubble Ultra Deep Field (UDF) Aufnahmen neben die aus der Simulation, war kaum ein Unterschied festzustellen: "Galaxien im Pseudo-UDF sind den tatsächlich beobachteten in Bezug auf Verteilung, Farben, Größen und Morphologien erstaunlich ähnlich", so Vogelsberger und seine Kollegen.

Licht von Galaxien in der Simulation

Licht von Galaxien in der Simulation

Auch die Verteilung der Elemente und die Entwicklung der interstellaren Gaswolken bildet die Simulation realistisch ab. Die größtenteils aus ionisiertem Wasserstoff bestehenden dünnen Gasschleier füllen heute einen Großteil des Raums zwischen den Galaxien. Zu Beginn der Galaxienbildung jedoch bildeten sie dichte Wolkenklumpen aus neutralen Wasserstoffgas – die ersten Sternenwiegen. Wie die Forscher berichten, findet sich auch diese Phase in der Simulation wieder. Und die Galaxien, die diese simulierte Entwicklung hervorbringt, gleichen fast schon Fotos solcher Sternenansammlungen.

Bestätigung für gängiges kosmologisches Modell


Für die Kosmologie bedeutet diese Simulation einen wichtigen Schritt vorwärts, betonen Vogelsberger und seine Kollegen. Denn sie demonstriere, dass das gängige Modell des Universums, das sogenannte ΛCDM-Modell, korrekt beschreibt, was sich in großem und kleinem Maßstab abspielt. Nach diesem Modell lässt sich ein Großteil der beobachteten Phänomene im Kosmos durch nur sechs Parametern beschreiben – und dies von den ersten Minuten nach dem Urknall bis zum heutigen Tag.

Allerdings räumen die Forscher auch ein, dass ihre Simulation noch weiter verbessert werden muss. So entstehen kleinere Galaxien bisher noch zu früh, viele Sterne sind daher in der Simulation älter als im realen Kosmos. Doch Vogelsberger und seine Kollegen sind zuversichtlich, dass schon innerhalb der nächsten zehn Jahre eine neue, verbesserte Generation solcher Simulationen entstehen wird. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13316)
(Nature, 08.05.2014 - NPO)
 
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