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SIMULATIONEN
Wie Schwarze Löcher das Universum verändern
Redaktion / Pressemitteilung des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien gGmbH
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1. Februar 2018

Schwarze Löcher können die Sternentstehung in Galaxien abwürgen und die Verteilung Dunkler Materie im All entscheidend beeinflussen. Dies sind nur zwei Ergebnisse einer umfangreichen Simulation zur Galaxienentwicklung, die ein internationales Wissenschaftlerteam jetzt vorgestellt hat. Insgesamt lieferte die Simulation über 500 Terabyte an Daten.

Simulation

Ein dünner Schnitt durch die kosmische Großraumstruktur in der größten Simulation des Illustris-TNG Projekts. Bild: IllustrisTNG [Großansicht]

 Im Zentrum jeder Galaxie befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Wie diese Objekte mit ihrer gewaltigen Schwerkraft die großräumige Struktur unseres Universums beeinflussen, haben Wissenschaftler des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien (HITS) sowie der Universität Heidelberg, der Max-Planck-Institute für Astronomie in Heidelberg (MPIA) und für Astrophysik (MPA) in Garching, der US-Universitäten Harvard und MIT, sowie des Center for Computational Astrophysics in New York jetzt mithilfe eines neuen Computersimulationsmodells untersucht.

Das Projekt "Illustris - The Next Generation" (IllustrisTNG) ist die bislang vollständigste Simulation dieser Art. Mithilfe grundlegender physikalischer Gesetzmäßigkeiten zeigt sie, wie sich unser Kosmos seit dem Urknall entwickelt hat. Einige der physikalischen Prozesse, die dabei eine Rolle spielen, wurden in IllustrisTNG überhaupt erstmals in eine derart umfangreiche Simulation einbezogen.

Das von IllustrisTNG vorausgesagte kosmische Netz aus Gas und Dunkler Materie beherbergt an seinen Kreuzungspunkten Galaxien, die gut zur Gestalt und Größe echter Galaxien passen. Zum ersten Mal konnte mit hydrodynamischen Simulationen auch das Verteilungsmuster der Galaxien im Raum detailliert berechnet werden. Vergleiche mit Beobachtungsdaten – inklusive neuester, umfangreicher Durchmusterungen – zeigen, wie realistisch die Ergebnisse der Simulationen sind. Außerdem sagen die Simulationen voraus, wie sich das kosmische Netz im Laufe der Zeit verändert, insbesondere im Verhältnis zum darunter liegenden "Rückgrat" des Kosmos aus Dunkler Materie.

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"Es ist besonders faszinierend, dass wir den Einfluss supermassereicher Schwarzer Löcher auf die Verteilung Dunkler Materie auf großen Skalen genau voraussagen können", meint Projektleiter Prof. Volker Springel vom HITS. "Das ist entscheidend, um zukünftige kosmologische Messungen verlässlich auswerten zu können."

Wie wichtig der Einfluss Schwarzer Löcher auf Galaxien ist, konnte Dr. Dylan Nelson vom MPA in einer weiteren Studie nachweisen. Sternbildende Galaxien strahlen hell im blauen Licht junger Sterne, bis ein plötzlicher Entwicklungsschub die Sternentstehung ausschaltet, so dass sie von alten, roten Sternen dominiert werden und sich zum Friedhof "alter und toter" Galaxien hinzugesellen. "Das einzige physikalische Objekt, das in der Lage ist, die Sternentstehung in unseren großen elliptischen Galaxien auszulöschen, sind die supermassereichen Schwarzen Löcher in ihren Zentren", erklärt Nelson. "Die ultraschnellen Auswürfe dieser Schwerkraftfallen erreichen Geschwindigkeiten von bis zu zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit und beeinflussen riesige Sternsysteme, die milliardenfach größer sind als das vergleichsweise kleine Schwarze Loch."

IllustrisTNG hilft auch, den hierarchischen Aufbau der Galaxien besser zu verstehen. Schon lange vermuten Theoretiker, dass zunächst kleine Galaxien entstehen müssten, die dann zu immer größeren Objekten verschmelzen, zusammengezogen von der unerbittlichen Anziehungskraft der Schwerkraft. Bei zahlreichen solchen Galaxienkollisionen werden Galaxien förmlich zerrissen. Ihre Sterne kreisen dann auf weiten Bahnen um neu entstandene große Galaxien, was ihnen ein schwaches Glimmen im Hintergrund verleihen müsste.

Diese vorausgesagten "Lichthöfe" oder Halos sind aufgrund ihrer geringen Oberflächenhelligkeit nur sehr schwer zu beobachten – aber IllustrisTNG konnte genau simulieren, wonach Astronomen suchen sollten. "Unsere Voraussagen können von Beobachtern nun gezielt überprüft werden", freut sich Dr. Annalisa Pillepich vom MPIA, Autorin einer weiteren IllustrisTNG Studie. "So kann das theoretische Modell der hierarchischen Galaxienentstehung gezielt auf die Probe gestellt werden."

Für das Projekt entwickelten die Forscher eine besonders leistungsfähige Version ihres hoch-parallelen bewegten Gitter-Codes AREPO und setzten ihn auf der „Hazel-Hen“ Maschine am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart ein, dem schnellsten deutschen Großrechner, der aktuell auf Platz 19 der Top 500 Supercomputer steht. IllustrisTNG ist das bisher größte hydrodynamische Simulationsprojekt über die Entwicklung kosmischer Strukturen. Für eine der beiden Hauptberechnungen arbeiteten mehr als 24.000 Prozessoren über zwei Monate an der Entstehung von Millionen von Galaxien, in einer repräsentativen Region des Universums von knapp einer Milliarde Lichtjahre Kantenlänge.

"Dank der Rechenzeit des deutschen Gauss-Zentrums für Supercomputing konnten wir den Stand der Wissenschaft in diesem Bereich neu definieren", erklärt Springel. "Die neuen Simulationen erzeugten mehr als 500 Terabyte Simulationsdaten. Die Auswertung dieses riesigen Datenberges wird uns noch über Jahre hinweg beschäftigen und verspricht viele weitere spannende Erkenntnisse über unterschiedliche astrophysikalische Prozesse."

Die Ergebnisse werden in drei Fachartikeln beschrieben, die in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht wurden.

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siehe auch
Simulation: Entwicklung der Milchstraße im Superrechner - 8. Juni 2017
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
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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Heidelberger Institut für Theoretische Studien gGmbH
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