Algorithmen: TreePM und GADGET-2

Die Episode über rauschende Ballnächte, eine 14-Milliarden-Jahre-Simulation und die Zukunft

In dieser Folge nehmen wir euch zuerst mit in die österreichische Ballsaison, bevor wir uns die Entwicklung des kompletten Universums vornehmen. Nicht in Echtzeit, sondern simuliert. Wie man den ganzen Kosmos im Computer abbildet und was man dabei lernen kann, erklärt Eva in dieser Folge am Beispiel der berühmten Millenium-Simulation. . Unterstützt den Podcast gerne bei Steady, Patreon oder Paypal unterstützen!

Ballsaison

Zur Einleitug erzählt Elka vom Wiener Ball der Wissenschaften und Eva von ihren Erlebnissen in der Ballsaison.

Wie simuliert man ein Universum?

Wir knüpfen an die vorige Folge an, in der wir über numerische Methoden und die Entdeckung von Gravitationswellen gesprochen haben, und fragen: Wie simuliert man eigentlich etwas so Großes wie das Universum? Wir können ja die Entwicklung des Universums nicht einfach “live” beobachten, weil seit dem Urknall Milliarden Jahre vergangen sind. Wenn wir verstehen wollen, wie Galaxien, Galaxienhaufen, Filamente und gigantische Leerräume entstanden sind, bleiben uns im Wesentlichen Beobachtungsdaten plus Physik plus Computer.

Elka erzählt zuvor aber noch kurz von ihrer eigenen Simulationserfahrung aus der Medizinphysik: In ihrer Masterarbeit hat sie mit Monte-Carlo-Simulationen gearbeitet, um zu modellieren, was bei Protonenbestrahlung im Körper passiert, also im Kontext der Strahlentherapie. Dabei wird vieles probabilistisch und stochastisch beschrieben, weil man nicht jeden einzelnen Prozess deterministisch Schritt für Schritt verfolgen kann. Wer sich für das Zentrum interessiert, das Elka erwähnt, findet hier Infos: MedAustron.

Danach erklärt Eva, wie Simulationen in der Astronomie typischerweise aufgebaut werden. Am Anfang steht eine präzise wissenschaftliche Frage, weil wir die Realität immer vereinfachen müssen. Dann entscheiden wir, welche physikalischen Prozesse relevant sind und welche wir vernachlässigen dürfen. Anschließend übersetzen wir das Ganze in Mathematik und numerische Verfahren, diskretisieren Raum, Zeit und Materie und legen Anfangsbedingungen fest. Erst dann lassen wir den Computer rechnen, oft parallelisiert auf vielen Prozessoren. Und selbst dann ist die Simulation noch nicht das Ende: Wir müssen die Ergebnisse analysieren und mit Beobachtungen vergleichen, sonst ist das Ganze zwar hübsch, aber wissenschaftlich wertlos.

Die Millenium-Simulation

Eine der berühmtesten kosmologischen Simulationen überhaupt ist die Millennium-Simulation aus dem Jahr 2005. Die spannende Idee dabei ist, dass sie sich im Kern auf dunkle Materie fokussiert. Auch wenn wir nicht wissen, woraus dunkle Materie genau besteht, können wir ihr Gravitationsverhalten modellieren, und das reicht, um großräumige Strukturbildung nachzuzeichnen. Ausgangspunkt ist das Standardmodell der Kosmologie, das Lambda-CDM-Modell.

Das Virgo-Konsortium hat die Simulation unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching durchgeführt. Startpunkt war eine sehr frühe Phase des Universums, kurz nach der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung, inklusive der winzigen Dichteschwankungen, die als Keime für spätere Strukturen dienen. Statt das komplette Universum zu berechnen, wurde ein würfelförmiger Ausschnitt simuliert, zwei Milliarden Lichtjahre Kantenlänge, und die Masse wurde in viele “Teilchen” aufgeteilt, die jeweils für sehr große Materiepakete stehen. Damit das rechnerisch überhaupt geht, braucht es spezielle Algorithmen, die nahe Wechselwirkungen genauer und weit entfernte Beiträge effizient angenähert behandeln, nämlich TreePM und GADGET-2, und wer tiefer einsteigen will, findet das Paper als PDF dazu hier.

Das Ergebnis war beeindruckend: Die Simulation reproduzierte die großräumige Verteilung von Strukturen, also Filamente, Superhaufen und Voids, in einer damals unerreichten Realistik. Genau diese Art von kosmischem Netz ist es, die viele von uns schon als ikonische Visualisierung kennen. Wer direkt bei den Projektinfos schauen möchte, findet sie hier: Millennium Simulation Project (MPA) und als Projektseite des Virgo-Teams hier: The Millennium Project (Virgo). Für den historischen Kontext und weitere Links lohnt sich außerdem: ein Blick in die Wikipedia.

Auf das Millenium-Projekt sind diverse Nachfolgeprojekte und andere große Simulationen gefolgt, die später mit anderer Auflösung, anderen Parametern oder zusätzlicher Physik weitergemacht haben, etwa Illustris und Bolshoi.

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