{"id":380,"date":"2014-03-10T10:44:36","date_gmt":"2014-03-10T09:44:36","guid":{"rendered":"http:\/\/www.h-its.org\/?p=380"},"modified":"2019-03-22T12:00:46","modified_gmt":"2019-03-22T11:00:46","slug":"eine-milchstrase-aus-dem-supercomputer","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/2014\/03\/10\/eine-milchstrase-aus-dem-supercomputer\/","title":{"rendered":"Eine Milchstra\u00dfe aus dem Supercomputer"},"content":{"rendered":"\n

Die Entstehung von Scheibengalaxien \u00e4hnlich der Milchstra\u00dfe hat die Kosmologie lange vor enorme R\u00e4tsel gestellt: Die Computersimulationen produzierten bislang in der Regel viel zu massereiche und kleine Scheiben. Wissenschaftlern am Heidelberger Institut f\u00fcr Theoretische Studien (HITS) ist es nun gelungen, die Rechnungen durch Einbeziehung weiterer physikalischer Prozesse, insbesondere von Magnetfeldern, entscheidend zu verbessern. Sie bildeten mit Hilfe neuartiger numerischer Verfahren auf einem leistungsf\u00e4higen Supercomputer eine virtuelle Galaxie, die unserer Michstra\u00dfe stark \u00e4hnelt. Erstmals konnten sie dabei auch die erwartete Struktur des Magnetfelds in einer Galaxie direkt aus den Anfangsbedingungen nach dem hei\u00dfen Urknall berechnen. Die Ergebnisse wurden in einer Fachpublikation in den \u201eAstrophysical Journal Letters\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n\n\n\n

Unser Universum ist von Magnetfeldern durchdrungen \u2013 man findet sie auf der Erde, in und um die Sonne, und auch in unserer Heimatgalaxie, der Milchstra\u00dfe. Oft sind die Magnetfelder schwach: Das Magnetfeld der Erde zum Beispiel ist nicht stark genug, um das Wettergeschehen auf unserem Planeten entscheidend zu beeinflussen. In Galaxien wie der Milchstra\u00dfe ist es jedoch so stark, dass der magnetische Druck auf das interstellare Gas in der galaktischen Scheibe \u00e4hnlich gro\u00df wie der W\u00e4rmedruck ist. Daraus schlie\u00dfen Astrophysiker, dass Magnetfelder hier eine wichtige Rolle spielen k\u00f6nnten. Allerdings ist der Ursprung dieser galaktischen Magnetfelder weiterhin r\u00e4tselhaft. Bisherige Hypothesen argumentieren, dass entweder direkt nach dem Urknall bereits \u00fcberall ein sehr schwaches Magnetfeld existierte, das dann im Laufe der Zeit verst\u00e4rkt wurde, oder dass das Feld von den ersten Sternen erzeugt und dann in der Galaxie verteilt wurde. Computersimulationen, die die Entstehung und Entwicklung von Galaxien seit dem Urknall verfolgen, sollten im Prinzip in der Lage sein, diese Frage zu beantworten. Sie sind aber bisher meist daran gescheitert, dass die berechneten Galaxien nicht mit astronomischen Beobachtungen \u00fcbereinstimmten. Oder die Simulationen waren nicht in der Lage, die Entwicklung der Magnetfelder mit zu verfolgen. Letzteres ist mathematisch und numerisch wesentlich anspruchsvoller als die pure Gasdynamik, mit der Galaxien \u00fcblicherweise berechnet werden.<\/p>\n\n\n\n

Den Autoren einer neuen Studie des HITS ist es nun mit Hilfe des massiv parallelen Simulationscodes AREPO erstmals gelungen, beide Probleme zu l\u00f6sen. AREPO ist ein sogenannter \u201emoving mesh code\u201c, der das simulierte Universum nicht in ein starres Gitter einteilt, sondern bewegliche und ver\u00e4nderliche Gitter verwendet und so die Gr\u00f6\u00dfen-  und Massenunterschiede zwischen den einzelnen Galaxien besonders genau verarbeiten kann. AREPO wurde am HITS entwickelt. In einer detaillierten Simulation der Entstehung einer Scheibengalaxie \u00e4hnlich der Milchstra\u00dfe konnten die Forscher die Entwicklung und Verst\u00e4rkung magnetischer Felder miteinbeziehen. Die Rechnungen erforderten die geballte Kraft vieler Prozessoren des Supercomputers SuperMUC am Leibniz Rechenzentrum in Garching im Rahmen eines Projekts des deutschen Gauss Centre for Supercomputing.

\u201eBereits ein minimales, vom Urknall hinterlassenes Magnetfeld reicht aus, um die heute beobachteten, viele Gr\u00f6\u00dfenordnungen st\u00e4rkeren Magnetfelder zu erkl\u00e4ren\u201c fasst Dr. R\u00fcdiger Pakmor, Erstautor der Studie, die Ergebnisse zusammen. Die HITS-Astrophysiker konnten in der Simulation au\u00dferdem zeigen, dass das Magnetfeld zun\u00e4chst \u00fcber einen Zeitraum von ungef\u00e4hr 1 Milliarde Jahre durch die Bewegung der Gasmassen im Universum exponentiell anw\u00e4chst, bis es eine gleichbleibende mittlere St\u00e4rke erreicht, unabh\u00e4ngig von der St\u00e4rke des Ursprungsfeldes. Sobald die ersten Scheibengalaxien entstanden sind (ca. 2,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall), f\u00fchrt die Rotationsbewegung der Scheibe dann dazu, dass das Magnetfeld zus\u00e4tzlich linear anw\u00e4chst. Gleichzeitig rotiert das Gas in der Scheibe und zieht die magnetischen Feldlinien in dieser Bewegung mit, \u00e4hnlich wie sich Eisensp\u00e4ne an einem Magneten ausrichten. \u201eInteressanterweise stimmt die in der Simulation beobachtete St\u00e4rke des Magnetfeldes nicht nur sehr gut mit gemessenen Werten f\u00fcr die Milchstra\u00dfe und benachbarte Spiralgalaxien \u00fcberein\u201c, so Ko-Autor Dr. Federico Marinacci, \u201eder vertikale und horizontale Verlauf des Magnetfeldes deckt sich ebenfalls mit den Beobachtungen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Prof. Volker Springel, Leiter der Forschergruppe \u201eTheoretical Astrophysics\u201c am HITS und Autor des AREPO-Codes, erkl\u00e4rt: \u201eEndlich haben wir bei dem vertrackten Problem der Entstehung von Scheibengalaxien einen Durchbruch erzielt. Es ist faszinierend, dass wir gleichzeitig die Entstehung des Magnetfeldes der Milchstra\u00dfe erkl\u00e4ren k\u00f6nnen.\u201c Diese Erkenntnisse sollten in Zukunft auch helfen, die Ablenkung von Teilchen der kosmischen Strahlung im Magnetfeld der Milchstra\u00dfe besser zu verstehen und damit den Quellen der kosmischen Strahlung, einem bedeutenden Problem der beobachtenden Astronomie, auf die Spur zu kommen.<\/p>\n\n\n\n

Die wissenschaftliche Ver\u00f6ffentlichung im Original:
Magnetic field in cosmological simulations of disk galaxies. R. Pakmor, F. Marinacci, V. Springel, 2014, Astrophysical Journal Letters, 783, L20, http:\/\/stacks.iop.org\/2041-8205\/783\/L20<\/a>  (preprint: http:\/\/arxiv.org\/abs\/1312.2620<\/a>)<\/p>\n\n\n\n

Weiterf\u00fchrende Links:
Gauss Centre for Supercomputing  http:\/\/www.gauss-centre.eu\/<\/a>
SuperMUC am Leibniz Rechenzentrum  http:\/\/www.lrz.de\/services\/compute\/supermuc\/<\/a>
AREPO-Code  (V. Springel, 2010, MNRAS, 401, 791 http:\/\/mnras.oxfordjournals.org\/content\/401\/2\/791.full.pdf+html<\/a>)<\/p>\n\n\n\n

Pressekontakt:
Dr. Peter Saueressig
Leiter Presse- und \u00d6ffentlichkeitsarbeit
Telefon: +49-6221-533 245
Fax: +49-6221-533 298
Peter.saueressig@h-its.org
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Twitter: @HITStudies<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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