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  Aktuelle Forschung :: August 2004 Zur Übersicht

Die größte N-Teilchen Simulation des Universums

Detaillierte Computersimulationen sind ein mächtiges Werkzeug, um eine der größten Herausforderungen der theoretischen Kosmologie zu studieren: Wie sind die Galaxien, die wir heute im Universum sehen, aus den kleinen Fluktuationen in der Materiedichte des primordialen Universums entstanden? Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik haben die bisher größte kosmologische Simulation durchgeführt und können damit den Prozeß der hierarchischen Galaxienentstehung mit bisher unerreichter Genauigkeit studieren. Dies erlaubt neue theoretische Erkenntnisse über die Dynamik der dunklen Materie und neuartige Tests der Theorie der Galaxienenstehung in Modellen der kalten dunklen Materie.


Abb. 1: Großraumstruktur in der dunklen Materie in einer dünnen Scheibe durch einen kleinen Teil des simulierten Universums. Das "kosmische Netz", welches einzelne Galaxien, Gruppen und Haufen durch Filamente aus dunkler Materie verbindet und große Leerräume dazwischen umschließt, ist klar zu erkennen. Im unteren Bild ist eine Vergrößerung eines massereichen Galaxienhaufens gezeigt. (zum Vergrößern Bild anklicken).

Abb. 2: Anzahl von Halos aus dunkler Materie über einem vorgegebenen Massenschwellwert. Die blauen Linien zeigen das analytisches Modell von Sheth & Tormen, welches die Siimulationsergebnisse recht genau beschreibt, inbesondere sehr viel besser als die ältere Theorie von Press & Schechter (gestrichelt). Die vertikale, gepunktete Linie markiert die Haloauflösungsgrenze der Simulation.

Abb. 3: Die Änderungsrate des Gravitationspotentials in einem Schnitt durch das Simulationsvolumen. Wenn sich Photonen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds durch das sich zeitlich veränderne Potential bewegen, werden sekundäre Temperaturfluktuationen aufgeprägt (Rees-Sciama Effekt), die sich mit der Millennium-Simulation studieren lassen.

Durch die jüngst erreichten Fortschritte in der beobachtenden Kosmologie ist es gelungen, ein Standardmodell für den Materieinhalt des Universums und seine Anfangsbedingungen für die Strukturentstehung 300000 Jahre nach dem Urknall zu entwickeln. Der größte Teil der Masse im Universum (~85%) besteht aus dunkler Materie, einem bisher noch nicht identifizierten, schwach wechelwirkenden Elementarteilchen. In der inflationären Phase des Universums wurden kleine Störungen in der ansonsten gleichförmigen Verteilung dieser Massenkomponente erzeugt, welche dann durch gravitative Instabilität verstaerkt werden, während sich das Universum weiter ausdehnt. Schließlich kollabieren die Störungen und bilden die Galaxien, die wir heute sehen. Dieser hochgradig nichtlineare und dreidimensionale Prozeß kann durch ein stoßfreies N-Teilchen-System modelliert werden, welches sich unter Eigengravitation entwickelt. Dabei ist es allerdings von entscheidender Bedeutung, möglichst viele Teilchen zu benutzen, um ein möglichst genaues Bild der Dynamik im Universum zu erhalten.

Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Astrophysik, zusammen mit Kollegen des internationalen Virgo Konsortiums, ist es nun gelungen, in einer neuen Simulation dieser Art die benutzte Teilchenzahl auf mehr als 10 Milliarden zu steigern. Dies liegt etwa eine Größenordung über der Teilchenzahl, die bisher von den größten Simulationen in diesem Gebiet erreicht worden ist, und übertrifft die langfristige Wachstumsrate der Größe von kosmologischen Simulationen deutlich. Aus diesem Grund wird das Projekt von dem Wissenschaftlerteam auch "Millennium-Simulation" genannt. Der hier erreichte Fortschritt wurde durch wichtige algorithmische Verbesserungen im Berechnungsverfahren erlaubt, sowie durch den erreichten hohen Grad der Parallelisierung, welcher es möglich machte, die Simulation auf 512 Prozessoren des IBM p690 Supercomputers des Rechenzentrums der Max-Planck-Gesellschaft (RZG) durchzuführen. Dennoch stellte die Simulation erhebliche rechnerische Anforderungen. So mußte etwa annähernd der gesamte physikalische Hauptspeicher von 1 TB auf dem parallelen Computer benutzt werden, und auch die Analyse der etwa 20 TB an produzierten Daten erforderte innovative Methoden.

Das Simulationsvolumen ist ein periodischer Würfel von 500 Mpc/h Kantenlänge, wodurch sich eine Teilchenmasse von 8.6 x 108/h Sonnenmassen ergibt. Dies ist genug, um Zwerggalaxien mit einigen hundert Teilchen, Galaxien wie die Milchstraße mit einigen tausend, und die schwersten Galaxienhaufen mit einigen Millionen Teilchen aufzulösen. Das obere Bild in Abbildung 1 zeigt eine Visualisierung der Großraumstruktur in der dunklen Materie zur heutigen Zeit. Die Simulation zeigt eine vielfältige Population aus Halos aller Größen, die mit Filamenten aus dunkler Materie verbunden sind, so dass sich ingesamt eine komplexe Struktur ergibt, die als "Cosmic Web" bezeichnet wird. Die räumliche Auflösung der Simulation beträgt 5 kpc/h pro Raumdimension und ist überall in dem simulierten Volumen verfügbar. Damit ergibt sich ein großer dynamischer Bereich von 105 in 3D, welcher extrem genaue statistische Messungen der Struktur der dunklen Materie im Universum erlaubt. Insbesondere kann auch die Substruktur in individuellen Halos aufgelöst werden, wie im unteren Bild der Abbildung 1 zu sehen ist, in welchem eine Vergrößerung von einem der massereichen Galaxienhaufen in der Simulation gezeigt ist. Als ein Beispiel für die bemerkenswerte Genauigkeit, mit der sich grundlegende kosmologische Größen mit der Simulation bestimmen lassen, zeigen wir in Abbildung 2 die nichtlineare Halo-Massenfunktion zu verschiedenen Zeitpunkten.

Eine wichige Eigenschaft der Millennium-Simulation ist, dass sie eine nahezu komplette Bestandsaufnahme aller leuchtkräftiger Galaxien liefert, die heller als etwa ein Zehntel der charakteristischen Galaxienleuchtkraft sind. Dieser Aspekt ist besonders wichtig, um eine neue Generation theoretisch vorausgesagter Galaxienkataloge zu erzeugen, welche zum ersten Mal einen "ebenbürtigen", direkten Vergleich mit Beobachtungsdatensätzen erlaubt. Dies wird möglich, da die Simulation eine ausreichende Massenauflösung aufweist, um eine representative Verteilung aller Galaxiengrössen zu erhalten, obwohl gleichzeitig ein Volumen vergleichbar mit der Größe der kürzlich verfügbar gewordenen Rotverschiebungskataloge großer Beobachtungsprogramme abgedeckt wird. Die Galaxien aus der Millennium-Simulation werden in der Datenbank eines "Theoretischen Virtuellen Observatiums" gespeichert werden, welches dann ähnliche Suchanfragen erlauben wird, wie sie bereits auf Beobachtungsdatenbanken angewandt werden. Das große Volumen der Millennium-Simulation ist auch besonders wichtig, um seltene Objekte geringer Anzahldichte, wie etwa massereiche Galaxienhaufen, oder die ersten Quasare bei hoher Rotverschiebung, zu studieren. Gleichzeitig ermöglicht es der dynamische Bereich der Simulation, genaue Voraussagen für starke und schwache Gravitationslinseneffekte zu machen, wowie die Fluktuationen im kosmichen Mikrowellenhintergrund zu studieren, die durch die nichtlineare Entwicklung des Gravitationspotentials aufgeprägt werden (Abbildung 3). Vor dem Hintergrund des beginnenden Zeitalters der "precision cosmology", erweisen sich große Computersimulationen wie das Millennium-Projekt als immer wichtiger, um die volle Komplexität der kosmischen Strukturen zu erfassen und empfindliche Tests des gegenwärtigen theoretischen Verständnisses zu entwickeln.


Volker Springel

Weitere Informationen:

linkPfeilExtern.gifVirgo-Konsortium

linkPfeil.gifVirgo-Seite am MPI für Astrophysik

A. Jenkins, C.S. Frenk, S.D.M. White, et al., "The mass function of dark matter halos", Mon. Not. R. Astron. Soc., 321, 372 (2001)

V. Springel, N. Yoshida, S.D.M. White, "GADGET: a code for collisionless and gasdynamical cosmological simulations", New Astronomy, 6, 79 (2001)

V. Springel, S.D.M. White, G. Tormen, G. Kauffmann, "Populating a cluster of galaxies: Results at z=0", Mon. Not. R. Astron. Soc., 328, 726 (2001)


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Letzte Änderung: 2.8.2004