{"id":876,"date":"2014-05-08T13:10:11","date_gmt":"2014-05-08T11:10:11","guid":{"rendered":"http:\/\/www.h-its.org\/?p=876"},"modified":"2019-03-22T11:58:21","modified_gmt":"2019-03-22T10:58:21","slug":"in-nature-galaxien-aus-dem-grosrechner","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.h-its.org\/de\/2014\/05\/08\/in-nature-galaxien-aus-dem-grosrechner\/","title":{"rendered":"In \u201eNature\u201c: Galaxien aus dem Gro\u00dfrechner"},"content":{"rendered":"\n<p><strong><span class=\"Text-Normal\">Neue Computersimulation zeigt die Entstehung von Galaxien mit bisher nicht erreichter Pr\u00e4zision. Astrophysiker aus Heidelberg, den USA und England best\u00e4tigen damit indirekt das Standardmodell der Kosmologie.<\/span><\/strong><\/p>\n\n\n\n<p><span class=\"Text-Normal\">Galaxien enthalten typischerweise einige hundert Milliarden Sterne und zeigen vielf\u00e4ltige Formen und Gr\u00f6\u00dfen. Ihre Entstehungsgeschichte ist eines der gr\u00f6\u00dften und komplexesten Probleme in der Astrophysik. Wissenschaftlern am Heidelberger Institut f\u00fcr 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 erkl\u00e4ren, wie sich schwere Elemente (sogenannte \u201eMetalle\u201c) in neutralem Wasserstoffgas anreichern. Zudem sind die berechneten Galaxien im Raum so verteilt, wie es mit Teleskopen beobachtet wird. Die Datenmenge des \u201eIllustris\u201c genannten Projekts umfasst mehr als 200 Terabyte und erforderte die Rechenkraft von mehr als 8000 Prozessoren f\u00fcr mehrere Monate. M\u00f6glich wurde die Simulation durch den am HITS entwickelten AREPO-Code f\u00fcr 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 Pr\u00fcfung der kosmologischen Theorien zur Galaxienentstehung.<\/span><\/p>\n\n\n\n<p><span class=\"Text-Normal\">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 \u00e4hnelte. 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 \u201eIllustris-Projekt\u201c sind die Kosmologen bei diesem Problem nun ein gro\u00dfes St\u00fcck weiter gekommen.<\/span><\/p>\n\n\n\n<p>In der weltweit gr\u00f6\u00dften hydrodynamischen Simulation der Galaxienentstehung wurde eine Region mit einer Ausdehnung von etwa 350 Millionen Lichtjahren \u00fcber einen Zeitraum von \u00fcber 13 Milliarden Jahren verfolgt, beginnend 12 Millionen Jahre nach dem Urknall. \u00dcber diesen Zeitraum bilden sich aus der \u201eUrsuppe\u201c aus Wasserstoff, Heliumgas und Dunkler Materie mit der Zeit immer gr\u00f6\u00dfere Verklumpungen, zusammengetrieben durch die Wirkung der Schwerkraft. Schlie\u00dflich formen sich galaktische Sternsysteme, deren Wachstum durch ein komplexes Zusammenspiel von Strahlungsprozessen, hydrodynamischen Sto\u00dfwellen, turbulenten Str\u00f6mungen, Sternentstehung, Supernova-Explosionen und der Energieeinspeisung wachsender superschwerer Schwarzer L\u00f6cher reguliert wird. Alle diese physikalischen Prozesse konnte das Illustris-Team in seiner neuen Supercomputer-Simulation mit dem Code AREPO berechnen. 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-&nbsp; und Masseunterschiede zwischen den einzelnen Galaxien besonders genau verarbeiten kann.<\/p>\n\n\n\n<div class=\"wp-block-image\"><figure class=\"alignright\"><a href=\"https:\/\/www.h-its.org\/wp-content\/uploads\/2014\/05\/illustris_poster.jpg\"><img decoding=\"async\" src=\"http:\/\/www.h-its.org\/wp-content\/uploads\/2014\/05\/illustris_poster-209x300.jpg\" alt=\"illustris_poster\" class=\"wp-image-3251\" \/><\/a><figcaption>Verschiedene Ansichten der Illustris-Simulation auf unterschiedlichen Skalen. Durch die Berechnung sowohl der Dunklen Materie wie auch der normalen baryonischen Materie ergeben sich Voraussagen f\u00fcr unterschiedlichste physikalische Gr\u00f6\u00dfen, von der R\u00f6ntgenleuchtkraft des diffusen Gases in Galaxienhaufen \u00fcber die Sternverteilung in einzelnen Galaxien bis hin zur Anreicherung des intergalaktischen Mediums mit schweren Elementen. (Bild: Illustris)<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n<p>Die Hauptsimulation des Projekts hat dabei mehr als 18 Milliarden Teilchen und Zellen eingesetzt und \u00fcberbr\u00fcckt einen dynamischen Bereich von mehr als einer Million pro Raumdimension \u2013 um \u00e4hnlich kleine Details darzustellen, m\u00fcsste ein Foto eine Million Megapixel gro\u00df 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 aufgel\u00f6sten Galaxien im Detail zu studieren und theoretische Voraussagen f\u00fcr kosmische Strukturentstehung mit hoher Genauigkeit zu machen.<\/p>\n\n\n\n<p>Die jahrelangen Vorbereitungen auf die Simulationen haben sich gelohnt: Erstmals kann das ber\u00fchmte \u201eStimmgabel-Diagramm\u201c der Morphologie von Galaxien, das auf Edwin Hubble zur\u00fcckgeht, reproduziert werden (siehe Abbildung 1). Dr. Mark Vogelsberger (MIT), Erstautor der in Nature erschienenen ersten Studie zu Illustris, meint: \u201eEs ist bemerkenswert, dass die Anfangsbedingungen des Universums, die wir kurz nach dem Urknall beobachten, tats\u00e4chlich Galaxien von der richtigen Gr\u00f6\u00dfe und Gestalt hervorbringen.\u201c Indirekt kann das als eine Best\u00e4tigung des Standardmodells der Kosmologie angesehen werden. \u201eEndlich k\u00f6nnen wir die alten groben Modelle der Galaxienentstehung hinter uns lassen und nicht nur die Dunkle Materie pr\u00e4zise berechnen\u201c, freut sich Prof. Volker Springel, Leiter der Forschungsgruppe \u201eTheoretical Astrophysics\u201c am HITS und Autor des AREPO-Codes, und erg\u00e4nzt: \u201eDie Ergebnisse von Illustris markieren einen Umbruch in theoretischen Studien der Galaxienentstehung.\u201c Abbildung 2 zeigt einen \u00dcberblick \u00fcber die astrophysikalischen Gr\u00f6\u00dfen, die von diesem \u201eUniversum im Supercomputer\u201c vorausgesagt werden.<\/p>\n\n\n\n<p><span class=\"Text-Normal\"><b>Die wissenschaftliche Ver\u00f6ffentlichung im Original: <\/b><br>M. Vogelsberger, S. Genel, V. Springel, P. Torrey, D. Sijacki, D. Xu, G. Snyder, S. Bird, D. Nelson, L. Hernquist<br>\u201cProperties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation\u201d, Nature, May 8th, 2014;<\/span><span class=\"Text-Normal\"><span class=\"Text-Normal\"> doi:10.1038\/nature13316<br><\/span><br><b>Weiterf\u00fchrende Links:<\/b><br><a href=\"http:\/\/www.illustris-project.org\" target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer\">Web-Site des Illustris Projekts<\/a> (mit weiteren Visualisierungen und Videos)<br><a href=\"http:\/\/www.gauss-centre.eu\" target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer\">Gauss Centre for Supercomputing<\/a><br><a href=\"http:\/\/www.lrz.de\/services\/compute\/supermuc\" target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer\">SuperMUC am Leibniz Rechenzentrum<\/a><br><a href=\"http:\/\/mnras.oxfordjournals.org\/content\/401\/2\/791.full.pdf+html\" target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer\">AREPO-Code&nbsp; (V. Springel, 2010, MNRAS, 401, 791<\/a> <\/span><\/p>\n\n\n\n<p><strong>Pressekontakt:<\/strong><br>Dr. Peter Saueressig<br>Leiter Presse- und \u00d6ffentlichkeitsarbeit<br>Telefon: +49-6221-533 245<br>Fax: +49-6221-533 298<br>Peter.saueressig@h-its.org<br>www.h-its.org<br>Twitter: @HITStudies<\/p>\n\n\n\n<p><span class=\"Text-Normal\"><b>Wissenschaftlicher Kontakt:<\/b><br>Prof. Dr. Volker Springel<br>Heidelberger Institut f\u00fcr Theoretische Studien (HITS) \/ Universit\u00e4t Heidelberg<br>Tel: +49-6221-533-241<br>volker.springel@h-its.org<br>www.h-its.org<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Neue Computersimulation zeigt die Entstehung von Galaxien mit bisher nicht erreichter Pr\u00e4zision. 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