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SIMULATION
Entwicklung der Milchstraße im Superrechner
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien
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8. Juni 2017

Durch welche Prozesse entwickelten sich Galaxien wie die Milchstraße zu den Systemen, die wir heute beobachten können? Eine Antwort auf diese Frage sollen detaillierte Simulationen auf Hochleistungsrechnern liefern. Jetzt stellte ein Forscherteam die Ergebnisse von 36 Simulationen milchstraßenähnlicher Systeme vor. Erstmals wurden dabei auch magnetische Felder berücksichtigt.

Simulation

Simulation einer Spiralgalaxie im Rahmen des Auriga-Projekts: Die Darstellung zeigt die heutige magnetische Feldstärke in dem simulierten System. Die Stromlinien zeigen die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Bild: Robert J. J. Grand, Facundo A. Gomez, Federico Marinacci, Rüdiger Pakmor, Volker Springel, David J. R. Campbell, Carlos S. Frenk, Adrian Jenkins und Simon D. M. White [Großansicht]

Mit Tausenden Prozessoren, mehreren Terabyte Daten und Monaten an Rechenzeit hat eine Gruppe internationaler Forscher in Deutschland die bisher größten und hochauflösendsten Simulationen von Galaxien wie unserer Milchstraße erstellt. Jetzt wurden die Ergebnisse dieses Projekts Auriga vorgestellt, das von Dr. Robert Grand vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien gGmbH (HITS) geleitet wird. Es ist ein Teilprojekt des Sonderforschungsbereichs 881 "Das Milchstraßensystem" der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Um die Geschichte und Struktur des Universums zu verstehen, untersuchen Astronomen Galaxien mit Hilfe von Teleskopen und Simulationen und fügen ihre Ergebnisse zu einem großen Ganzen zusammen. Es wird davon ausgegangen, dass Spiralgalaxien, wie zum Beispiel unsere Milchstraße, aus mehreren hundert Milliarden Sternen sowie großen Mengen an Gas und Staub bestehen.

Galaxien wie unsere Milchstraße haben die Form einer Spirale. In ihrer Mitte befindet sich ein Schwarzes Loch, das von älteren Sternen und Spiralarmen umgeben ist. Diese Spiralarme der Galaxien erstrecken sich vom Zentrum aus nach außen, wo eher jüngere Sterne, wie unsere Sonne, zu finden sind. Wie diese Strukturen genau entstanden sind, ist eine Schlüsselfrage in der Erforschung des Kosmos.

Die immensen Größenskalen von Galaxien sowie die komplexe Physik, die für ihre Berechnung benötigt werden, gelten als die größten Herausforderungen bei der Simulation solcher Strukturen mithilfe von Computermodellen. So ist die Masse von einzelnen Sternen, die die "Bausteine" von Galaxien darstellen, jeweils rund eine Billion mal kleiner als die Galaxie, in der sie sich befinden.

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Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern vom HITS (Deutschland), der Durham University (Großbritannien), dem Max-Planck Institut für Astrophysik (Deutschland) und dem Massachusetts Institute of Technology (USA) hat sich diesem Problem angenommen. Die Gruppe simulierte insgesamt 30 verschiedene milchstraßenähnliche Galaxien in hoher Auflösung, sechs davon sogar extrem hochaufgelöst, um noch mehr Details zu berücksichtigen.

Die Simulationen liefen mehrere Monate lang größtenteils auf den deutschen Supercomputern Hornet/Hazel Hen in Stuttgart und dem SuperMUC in Garching und nutzten insgesamt rund 18 Millionen CPU-Stunden. Für die Simulationen verwendeten die Wissenschaftler den sogenannten AREPO-Code, der von HITS-Wissenschaftler und Gruppenleiter Prof. Volker Springel entwickelt wurde.

Der Code ermöglicht die Simulation verschiedener Galaxien mit nie da gewesener Präzision und beinhaltet eines der bisher umfassendsten Physikmodelle auf dem Gebiet. So können mit dem AREPO-Code Phänomene wie Gravitation, Sternenentstehung, Gasströme und Supernova-Explosionen simuliert werden. Zum ersten Mal war auch die Simulation magnetischer Felder möglich, die das sogenannte interstellare Medium zwischen den Sternen durchdringen. Außerdem wurden Schwarze Löcher simuliert, die Gas um sich herum "aufsaugen" und Energie in weit entfernte Teile der Galaxie hinausstoßen.

Die Simulationen ergaben eine große Fülle physikalischer Daten und bieten hilfreiche Erkenntnisse für viele verschiedene Aspekte der Galaxienforschung: Die Forschungsergebnisse des Auriga-Projekts liefern wichtige Informationen für andere Astronomen, etwa über die besonderen Eigenschaften von Satellitengalaxien oder die Verteilung der sehr alten Sterne im sogenannten Halo, einem Lichthof, der die Galaxie umgibt," so Grand. "Zusätzlich konnten wir die Entwicklung magnetischer Felder simulieren und untersuchen, wie diese das Gas in der Galaxie beeinflussen."

Das Team fand insbesondere heraus, dass kleinere Galaxien in der frühen Entstehungsgeschichte mit der Milchstraßen-Galaxie verschmolzen sein könnten. Durch diesen Prozess kann eine größere Spiralgalaxie entstehen. "Damit eine Spiralgalaxie wachsen kann, benötigt sie eine beträchtliche Versorgung mit Gas zur Sternenentstehung. Kleinere, gasreiche Galaxien, die in unsere Galaxie hineinfielen, liefern genau das," so Grand weiter.

In einem zweiten Schritt werden die Wissenschaftler die Forschungsergebnisse des Auriga-Projekts mit Beobachtungsdaten, wie denen der Astrometriemission Gaia vergleichen. Dadurch wollen sie besser verstehen, wie diese Verschmelzungen die Entstehung unserer und anderer Galaxien bestimmt haben.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in den Monthly Notices of the Royal Society erschienen ist.

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siehe auch
Simulation: Galaxien wie im wirklichen Universum - 8. Mai 2014
Theoretische Astrophysik: Informatiker und Astronomen Hand in Hand - 29. Oktober 2013
Kosmologie: Die Entstehungsgeschichte von 20 Millionen Galaxien - 2. Juni 2005
Links im WWW
Fachartikel in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Heidelberger Institut für Theoretische Studien gGmbH
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