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Computing in the dark sector: a Cactus toolkit for modified-gravity cosmologies

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Berechnung der dunklen Ecken des Universums

Fortschritte auf dem Gebiet der Kosmologie waren stets eng an die Verfügbarkeit einfach zu handhabender Softwaretools sowie ausreichender Rechnerkapazitäten geknüpft. Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts wurde eine solche Rechnerbasis entwickelt, mit der die schwer definierbaren Eigenschaften Dunkler Materie und Dunkler Energie untersucht werden sollen.

Energie

Rechnersimulationen sind effektive Werkzeuge, mit denen sich zuverlässige Vorhersagen zur Beantwortung kosmologischer Fragestellungen treffen lassen, auch solcher, die die Entstehung und das Wachstum astrophysikalischer Objekte betreffen. Berechnungen dazu, wie sich verschiedene physikalische Prozesse entwickeln, können, sofern sie mit vergangenen und zukünftigen Beobachtungen abgeglichen werden, bei der Einschätzung der wichtigsten physikalischen Parameter helfen. Die verfügbaren Rechnerkapazitäten erlauben das Studium einer Vielzahl astrophysikalischer Vorgänge im beobachtbaren Universum. 95 % der Energie unseres Universums wird jedoch von zwei Bestandteilen ausgesendet, deren Beschaffenheit bislang unbekannt ist. Dunkle Materie und Dunkle Energie waren die Themen, denen das Projekt "Computing in the dark sector: a Cactus toolkit for modified-gravity cosmologies" (COSMOTOOLKIT) gewidmet war. Die Mitglieder des COSMOTOOLKIT-Projekts befassten sich damit, das frei verfügbare Einstein-Toolkit für die Zwecke der numerischen Kosmologie aufzurüsten. Dieses Toolkit, das von Forschern weltweit entwickelt wurde, beinhaltet eine Reihe von Tools, die benötigt werden, um Schwarze Löcher, kollabierende Sterne und andere kompakte Objekte nachzubilden. Die COSMOTOOLKIT-Forscher entwickelten ein neues Softwarepaket und Datenbänke, die das Gehen neuer wissenschaftlicher Wege ermöglichen. Insbesondere wurden numerische Verfahren mit einbezogen, um die Entwicklung von Stoffen wie interstellarem Staub sowie von skalaren Gravitationsfeldern nachzuvollziehen. Neben Simulationen von Bereichen von mehr als einigen Gigaparsec Ausdehnung wurde die Rechnerbasis außerdem so angepasst, dass die Erstellung von 3D-Modellen des Universums möglich wurde. Auch wurden die Grundlagen dafür gelegt, dass theoretische Verfahren zur Bestimmung von Gravitationswellensignaturen unterstützt werden können. Gleichzeitig wurde die Existenz und Einzigartigkeit von Lösungen für Einsteinische Feldgleichungen zu Raumzeiten untersucht, die periodisch sind. Obwohl bereits seit einem halben Jahrhundert nach Lösungen gesucht wird, war das COSMOTOOLKIT-Projektteam jedoch das erste, dem es gelang, das vollständige Verhalten der periodischen Gitter der Schwarzen Löcher offenzulegen. Die reiche Phänomenologie wurde mithilfe numerischer Simulationen sich ausdehnender Gitter beschrieben. Das Online-Portal "The black-hole-lattice lab" wurde zur Verbreitung der neuen Codes und zur realistischen Modellierung kosmologischer Phänomene eingerichtet. Es wird auch als Informationsarchiv zu Schwarzen Löchern sowie als Austausch- und Diskussionsplattform für Wissenschaftler fungieren. Enge Zusammenarbeit hat dem COSMOTOOLKIT-Projekt zum Erfolg verholfen, und sie wird auch weiterhin für die Optimierung der numerischen Verfahren notwendig sein.

Schlüsselbegriffe

Kosmologie, Software, Dunkle Energie, Dunkle Materie, Simulationen, Universum, Schwarze Löcher, Datenbanken, Gravitationswellensignaturen

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