Virtueller Kosmos

Simulation zur Entwicklung des Weltalls

Forschende der Universität Zürich haben mit einem Hochleistungsrechner die Entwicklung des Weltalls simuliert. Aus Billionen von Teilchen sind so etwa 25 Milliarden virtuelle Galaxien entstanden. Dieser Galaxienkatalog dient der Kalibrierung des Satelliten Euclid, der 2020 ins All startet, um die Dunkle Materie und die Dunkle Energie im Weltall zu ergründen.

Kosmisches Netz: Ein Milliarden Lichtjahre umfassender Ausschnitt des virtuellen Kosmos zeigt, dass sich die Dunkle Materie zusammenklumpt (Halos: gelbe Punkte) und durch Filamente verbunden ist. In weißen Gebieten ist die Dichte der Dunklen Materie am geringsten. (Bild: Joachim Stadel, UZH)

Astrophysiker der Universität Zürich haben während drei Jahren einen Code überarbeitet, mit dem sich in einer bisher einmaligen Präzision die Entwicklung der Dunklen Materie und das Auftreten grosser Strukturen des Weltalls simulieren lassen. Der bis ins Detail verbesserte Code (namens PKDGRAV3) nutzt Speicher wie auch Rechenprozessoren optimal aus – und hat auf dem Supercomputer «Piz Daint» des Nationalen Hochleistungsrechenzentrum der Schweiz (CSCS) in nur 80 Stunden aus einem virtuellen Universum mit zwei Billionen (also Millionen von Millionen oder 1012) Teilchen einen Katalog mit 25 Milliarden Galaxien erstellt, wie Joachim Stadel, Douglas Potter und Romain Teyssier in ihrer kürzlich erschienenen Publikation berichten.

Beschaffenheit des Dunklen Universums erforschen

Dank einer hohen Genauigkeit bei ihrer Berechnung der Gravitationskräfte (die vom Zentrum einer Galaxie nach aussen hin abnehmen) konnten die Forscher die Grenzbereiche der Dunklen Materie – die sogenannten Halos – im virtuellen Weltall präzise simulieren. Die so entstandene Karte des virtuellen Kosmos umfasst ein Gebiet von etwa der Grösse eines Zehntels der Milchstrasse. Die hochpräzise Simulation ist damit gross und komplex genug, um die europäische Euclid-Mission zu kalibrieren. Diese hat zum Ziel, die Beschaffenheit des Dunklen Universums zu untersuchen.

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Subtile Verzerrungen messen

Ungefähr 95 Prozent des Universums sind dunkel. Der Dunkle Kosmos besteht zu 23 Prozent aus Dunkler Materie und zu 72 Prozent aus Dunkler Energie. «Woraus diese Energie entspringt und wie sie sich zusammensetzt, sind für die Wissenschaft noch immer ungelöste Rätsel», sagt Romain Teyssier, UZH-Professor für Computergestützte Astrophysik. Rätsel, die nur durch indirekte Beobachtungen zu knacken sind: Wenn der Euclid-Satellit in Zukunft das Licht von zahllosen Galaxien über grosse Bereiche des Himmels einfangen wird, müssen die Forschenden die sehr subtilen Verzerrungen messen, die sich ergeben, wenn das Licht aus Galaxien im Hintergrund von Fluktuationen der Massendichte – hauptsächlich der Dunklen Materie – im Vordergrund abgelenkt wird. «Das ist vergleichbar mit der Verzerrung des Blicks durch eine nicht ganz ebene Glasscheibe», sagt Joachim Stadel vom Institut für Computergestützte Wissenschaften der UZH.

Beobachtungsstrategie des Satelliten optimieren

Ihr Galaxienkatalog soll helfen, die Beobachtungsstrategie des Euclid-Satelliten zu optimieren und allfällige Fehlerquellen zu quantifizieren, bevor der Satellit ab 2020 sechs Jahre lang im Weltraum auf Datensammlung geht. «Euclid wird eine Art Tomographie des Universums machen und die zehn Milliarden Jahre alte Entwicklung des Weltalls nachzeichnen», sagt Stadel. Die Forschenden erhoffen sich von der Euclid-Mission nicht nur Hinweise auf die Quellen der Dunklen Energie, sondern auch Aufschlüsse, wieso die Dunkle Energie die Ausdehnung des Universums beschleunigt.

Literatur:

Douglas Potter, Joachim Stadel and Romain Teyssier. PKDGRAV3: Beyond Trillion Particle Cosmological Simulations for the Next Era of Galaxy Surveys. Computational Astrophysics and Cosmology. 18 May 2017. doi:10.1186/s40668-017-0021-1

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