Evolution des Universums simuliert : Künstlicher Kosmos im Supercomputer

Mit ungekannter Präzision simulieren Astrophysiker die Entwicklung des Universums. Der Vergleich mit der Realität zeigt eine erstaunliche Übereinstimmung. Doch es gibt auch Abweichungen.

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Virtuelles Universum. Die Abbildung zeigt den massivsten Galaxienhaufen der Simulation. Außerdem sind die Verteilung Dunkler Materie (in Blau) erkennbar sowie Gasströme.
Virtuelles Universum. Die Abbildung zeigt den massivsten Galaxienhaufen der Simulation. Außerdem sind die Verteilung Dunkler...Abbildung: Illustris Collaboration /Nature

Die Simulation ist kaum von der Realität zu unterscheiden: Forscher aus Deutschland und den USA präsentieren das bislang beste Computermodell unseres Universums. Mit fünf Supercomputern und einer Prozessorzeit von insgesamt 16 Millionen Stunden haben sie die Entwicklung des Kosmos während der vergangenen 13 Milliarden Jahren virtuell ablaufen lassen und verfolgt, wie Galaxien und Galaxienhaufen aus dem ursprünglich nahezu gleichmäßig verteilten Gas hervorgingen. Erstmals gelang es, sowohl die heute beobachteten Häufigkeiten von unterschiedlichen Galaxientypen als auch deren chemische Zusammensetzung korrekt wiederzugeben, schreibt das Team der „Illustris“-Simulation im Fachblatt „Nature“.

In dieser Abbildung steht wieder der massivste Galaxienhaufen im Zentrum. Von links nach rechts ist zu sehen, wie Dunkle Materie zu Gasansammlungen führt.
In dieser Abbildung steht wieder der massivste Galaxienhaufen im Zentrum. Von links nach rechts ist zu sehen, wie Dunkle Materie...Abbildung: Illustris Collaboration /Nature

„Frühere Simulationen haben zwar das heute beobachtete kosmische Netz von Galaxien richtig wiedergegeben“, sagt Mark Vogelsberger vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. „Doch sie konnten nicht die reale Mischung von Spiralgalaxien und elliptischen Galaxien erzeugen.“ Grund dafür seien Rechenungenauigkeiten und unvollständige physikalische Modelle gewesen. Illustris basiert auf einem neuen Ansatz für das Simulationsprogramm, und es berücksichtigt zudem zahlreiche bislang vernachlässigte physikalische Effekte.

Statt eines Rasters mit vorgegebener Struktur verwendet die aktuelle Simulation ein unstrukturiertes Gitter, das sich an die Entwicklung der Materieverteilung anpasst. Das heißt: Dort, wo mehr passiert, wird mit höherer Auflösung gerechnet.

Das physikalische Modell berücksichtigt nicht nur die Schwerkraft und die Entstehung von Sternen aus kollabierenden Gaswolken, sondern auch weitere Faktoren wie kühlende Gasströme, den Einfall von Materie in supermassive Schwarze Löcher und die Produktion von chemischen Elementen durch Kernfusion.

Die Verteilung des Sternenlichts im massivsten Galaxienhaufen.
Die Verteilung des Sternenlichts im massivsten Galaxienhaufen.Abbildung: Illustris Collaboration /Nature

Um das Computermodell mit der Realität zu vergleichen, haben Vogelsberger und seine Kollegen einen Ausschnitt der Simulation mit einer extrem detailreichen Himmelsaufnahme des Weltraumteleskops „Hubble“ verglichen. Nicht nur beim globalen Eindruck, selbst bei individuellen Galaxien sei kein offensichtlicher Unterschied zu erkennen, schreiben sie.

Doch auch Illustris ist noch nicht perfekt, wie die Forscher anmerken. Gerade bei den Abweichungen von der Wirklichkeit zeigt sich der Wert derartiger Simulationen. So entstehen bei Illustris die Sterne in Zwerggalaxien viel früher als in der Realität. Offensichtlich ist die zugrundeliegende Theorie nicht präzise genug. Für die Astrophysiker bleibt also noch einiges zu tun.

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