In Stuttgart ist mit dem Supercomputer Hazel Hen die bislang umfang- und detailreichste Simulation des Universums gelungen.
Wie beeinflussen Schwarze Löcher die Verteilung von Dunkler Materie? Wie entstehen schwere Elemente und wie verbreiten sie sich im Universum? Oder: Wo haben Magnetfelder ihren Ursprung? Antworten auf diese und andere Fragen liefert jetzt das neue Computersimulationsmodell „Illustris – The Next Generation“ (IllustrisTNG). Auf Basis grundlegender physikalischer Gesetzmäßigkeiten demonstriert es, wie sich unser Kosmos seit dem Urknall entwickelt hat. Hierbei wurden erstmals diverse komplexe Prozesse einbezogen, etwa die Einspeisung von kinetischer Energie durch von Schwarzen Löchern ausgestoßenes Gas.
Dem Max-Planck-Institut für Astronomie zufolge ergab die nachempfundene Entstehung von Millionen Galaxien ein kosmisches Netz aus Gas und Dunkler Materie, wie es von Astronomen auch im realen Universum beobachtet wird. Darüber hinaus konnte mit hydrodynamischen Simulationen erstmals das Verteilungsmuster der Galaxien im Raum detailliert berechnet werden. Auch sagte die Simulation voraus, wie sich das kosmische Netz im Laufe der Zeit verändert.
Illustris ermöglicht überprüfung theoretischer Modelle
Eine zentrale Rolle bei den Berechnungen spielte das „Rückgrat“ des Kosmos aus Dunkler Materie. „Es ist besonders faszinierend, dass wir den Einfluss supermassereicher Schwarzer Löcher auf die Verteilung Dunkler Materie auf großen Skalen genau voraussagen können“, erklärt Volker Springel. Dem Projektleiter zufolge ist dies entscheidend, um zukünftige kosmologische Messungen verlässlich auswerten zu können. Zudem habe IllustrisTNG geholfen, den hierarchischen Aufbau von Galaxien besser zu verstehen.
Denn schon lange vermuten Wissenschaftler, dass zunächst kleine Galaxien entstehen müssten, um dann – von der Schwerkraft zusammengezogen – zu immer größeren Objekten zu verschmelzen. Bei den zahlreichen Kollisionen von Galaxien hätten viele von ihnen förmlich zerrissen werden und ihre Sterne anschließend um die neu entstandenen, größeren Galaxien kreisen müssen. Die zu den Himmelskörpern dazugehörigen „Lichthöfe“ sind aufgrund ihrer geringen Oberflächenhelligkeit in der Praxis allerdings nur schwer zu beobachten. Mit IllustrisTNG ließen sie sich endlich so simulieren, dass das theoretische Modell der hierarchischen Galaxienentstehung nun gezielt auf die Probe gestellt werden kann.
Deutschlands schnellster Supercomputer läuft auf Intel
Die Simulation des internationalen Forschungsteams lief auf dem derzeit schnellsten Supercomputer Deutschlands. Hazel Hen, ein Cray XC40-System auf Basis von Intel Xeon E5 Prozessoren, ist auf dauerhafte Anwendungsleistung und hohe Skalierbarkeit ausgelegt und bringt es im Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) auf eine Spitzenleistung von 7,42 Petaflops. Im November 2017 belegte es Platz 19 der berühmten TOP500 Liste der schnellsten High Performance Computing (HPC) Systeme der Welt.
Allein für eine der Hauptberechnungen arbeiteten mehr als 24.000 Xeon-Prozessoren über zwei Monate an der Entstehung von Millionen von Galaxien, in einer repräsentativen Region des Universums von knapp einer Milliarde Lichtjahre Kantenlänge. Erzeugt wurden insgesamt mehr als 500 Terabyte an Daten. „Die Auswertung dieses riesigen Datenberges wird uns noch über Jahre hinweg beschäftigen und verspricht viele weitere spannende Erkenntnisse über unterschiedliche astrophysikalische Prozesse“, konstatiert Springel.
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