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Kosmologie

12,5 Milliarden Lichtjahre auf dem Bildschirm

München, 22.10.2015

LMU-Astrophysiker haben die weltweit aufwendigste Simulation der Entwicklung unseres Universums realisiert. Sie bildet die Evolution über Milliarden von Jahren am Computer nach.

Simulation: Klaus Dolag/LMU

Ein Team der theoretischen Astrophysik der LMU unter Leitung von PD Dr. Klaus Dolag hat gemeinsam mit Experten des Exzellenzclusters Universe und des Leibniz-Rechenzentrums eine neue, weltweit einzigartige hydrodynamische Simulation der großräumigen Verteilung der sichtbaren Materie unseres Universums durchgeführt. In ihr sind die aktuellen Erkenntnisse der Kosmologie über die drei kosmischen Bestandteile des Universums – die Dunkle Energie, die Dunkle Materie und die sichtbare Materie – eingeflossen.

Diese bislang größte Simulation im Rahmen des Projekts Magneticum Pathfinder verfolgt über Milliarden von Jahren die Entwicklung einer Rekordzahl von 180 Milliarden kleiner Raumelemente in einem bisher nicht erreichten Raumbereich von 12,5 Milliarden Lichtjahren Ausdehnung. Zum ersten Mal ist eine hydrodynamische kosmologische Simulation damit groß genug, um sie direkt mit großräumigen astronomischen Vermessungen unseres Universums zu vergleichen.

Superschwere schwarze Löcher

Der Urknall markiert in der modernen Kosmologie den Beginn unseres Universums und leitet die gemeinsame Entstehung von Materie, Raum und Zeit vor rund 13,8 Milliarden Jahren ein. Seither haben sich die heute sichtbaren Strukturen des Kosmos entwickelt: Milliarden von Galaxien, in denen Gas, Staub, Sterne und Planeten durch die Schwerkraft gebunden sind und in deren Zentren superschwere Schwarze Löcher sitzen. Wie aber konnten sich diese – sichtbaren – Strukturen aus den Startbedingungen des Universums formen?

Um diese Frage zu beantworten, führen Experten der theoretischen Astrophysik kosmologische Simulationen durch. Dazu bündeln sie ihr Wissen über die physikalischen Entwicklungsprozesse unseres Universums in mathematischen Modellen und bilden so auf Hochleistungsrechnern die Evolution unseres Universums über Milliarden von Jahren nach.

Bislang größter Ausschnitt des Universums

Für ihre Simulation haben die Wissenschaftler in ihren Berechnungen eine Vielzahl von physikalischen Prozessen berücksichtigt, darunter drei, die als besonders wichtig für die Entwicklung des sichtbaren Universums gelten: die Kondensation von Materie zu Sternen, deren weitere Entwicklung, bei der durch Sternwinde und Sternexplosionen die umgebende Materie aufgeheizt und mit chemischen Elementen angereichert wird, sowie die Entwicklung von superschweren Schwarzen Löchern, die gewaltige Mengen an Energie abgeben.

Insgesamt umfasst diese Simulation den Raumbereich eines Würfels mit Kantenlängen von 12,5 Milliarden Lichtjahren. Dieser unvorstellbar große und in einer Simulation bisher nicht darstellbare Ausschnitt des Universums wurde am Computer in eine bis dahin nicht erreichte Anzahl von 180 Milliarden Auflösungselementen aufgeteilt, von denen jedes einzelne die detaillierten Eigenschaften des Universums an dieser Stelle repräsentiert und ungefähr 500 Byte an Informationen enthält.

Diese zahlreichen Merkmale machen es erstmals möglich, eine kosmologische Simulation detailliert mit umfangreichen astronomischen Vermessungen unseres Universums zu vergleichen. „Das war bislang kaum möglich, weil anspruchsvolle kosmologische Simulationen viel zu klein waren, um sie Beobachtungen von Weltraumteleskopen wie Hubble oder Planck gegenüberzustellen, die große Teile unseres sichtbaren Universums durchmustern und abbilden“, sagt Klaus Dolag. „Das Projekt Magneticum Pathfinder markiert daher den Beginn einer neuen Ära in der computergestützten Kosmologie.“

Mehr Informationen:

Zur Meldung des Exzellenzclusters Universe