Das Universum simulieren

Computersimulationen sind ein grundlegendes Instrument für ein Verständnis des Wachstums kosmischer Strukturen in unserem Universum. Eine von der EU geförderte Initiative unterstützte eine neue Generation an Astrophysikern bei der Entdeckung und Auslegung neuer wissenschaftlicher Beweise zu Satellitenformationen in der Milchstraße bis hin zu den größten kosmischen Strukturen.

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Der kontinuierliche Geschwindigkeits- und Speicherleistungsanstieg von Computern hat Astrophysikern ermöglicht, stets noch detailliertere Simulationen komplexer astronomischer Phänomene durchzuführen. Diese Computersimulationen sind für eine Einschränkung der verschiedenen Parameter von Theoriemodellen von unschätzbarem Wert gewesen und ermöglichten ungeahnte Einblicke in die Entwicklung unseres Universums. Dank EU-Fördermitteln wurden im Rahmen der Initiative „Pan-European training in computational cosmology: Modelling cosmic structures“ (COSMOCOMP) führende Zentren im Bereich der Computerkosmologie zusammengebracht. Das Ausbildungsnetz Initial Training Network (ITN) ermöglichte acht Ph.D.-Studenten und 24 postdoktoralen Forschern eine Zusammenarbeit, um neue Sichtweisen auf die Beobachtung des Universums zu entwickeln. Um das beobachtbare Universum zu berücksichtigen, wurde bei den kosmologischen Simulationen, die von den COSMOCOMP-Fellows ausgeführt worden sind, auf viele Disziplinen zurückgegriffen. Hierzu zählt unter anderem die Hydrodynamik und Mikrophysik baryonischer Materie. Die Integrierung einer Computerberechnung aller verschiedenen Elemente in umfassende kosmologische Modelle ist anspruchsvoll. Die Partner des Netzes erhielten daher privilegierten Zugang zu weltweit führenden Supercomputer-Ressourcen. In Zusammenarbeit mit Virgo Konsortium schlossen die COSMOCOMP-Fellows die größte jemals durchgeführte N-Körper-Simulation durch. Bei dieser Berechnung wurden Gravitationsinteraktionen zwischen 303 Milliarden Teilchen in einer kosmologischen Box mit 4.286 Megaparsec gelöst. Diese Millennium-XXL-Simulation resultierte in Vorhersagen zur Masseverteilung im Universum im großen und kleinen Maßstab. Die COSMOCOMP-Forscher haben zudem neue Softwarecodes für hydrodynamische Simulationen zur Physik der Galaxienbildung entwickelt. In dem „Moving-Mesh“-Code AREPO und dem GADGET-Code für die geglättete Teilchen-Hydrodynamik wurden die Bedingungen für das Universum zur Untersuchung der Entwicklung von Galaxien über die vergangenen 13 Milliarden Jahre sorgfältig abgeändert. Zu den zahlreichen interessanten Ergebnissen des COSMOCOMP ITN zählen langersehnte Vorhersagen zu Theorien bezüglich dunkler Materie. Gammastrahlen, die auf die Vernichtung von Teilchen dunkler Materie zurückgehen, wurden zum ersten Mal entdeckt. Über ein Programm themenorientierter Workshops hatten die Fellows die Gelegenheit, sich über Resultate auszutauschen und gemeinsam den theoretischen Rahmen zu untersuchen, der den Simulationen zugrunde liegt. Im Rahmen von COSMOCOMP wurden die Implikationen der Forschung unter Miteinbeziehung der größeren Wissenschaftsgemeinde, vor allem über internationale Konferenzen, untersucht.

Schlüsselbegriffe

Kosmische Strukturen, astronomische Phänomene, Computerkosmologie, Hydrodynamik, baryonische Materie

Pan-European training in computational cosmology: modelling cosmic structures

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