Millennium-Simulation

Die Millennium-Simulation ist ein Projekt des Virgo-Konsortiums, einer Gruppe von Kosmologen aus Deutschland, Großbritannien, Kanada, Japan und den USA unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München. Ziel ist die Herstellung einer Computersimulation zur Klärung der kosmologisch höchst interessanten Frage, wie sich aus dem direkt nach dem Urknall strukturlosen Universum die heutigen Galaxien und Sterne bilden konnten. Im Sommer 2005 konnten Ergebnisse vorgestellt werden, die die Entstehung von großen Unregelmäßigkeiten aus kleinen eingebrachten Manipulationen zeigen.

Ein Schnitt durch das Simulationsvolumen mit 15 Mpc/h Dicke zur kosmologischen Gegenwart (z=0). Gezeigt ist die Dichte der dunklen Materie, mit klar erkennbaren Filamenten aus einzelnen ellipsoiden Halos.

Die Simulation

Grundlage der Simulation bildet nicht gewöhnliche Materie, sondern dunkle Materie, die nach der gängigen Expertenmeinung etwa 23 Prozent der Masse des Universums ausmacht. Diese Art der Materie konnte offensichtlich von der starken elektromagnetischen Strahlung des heißen frühen Universums nicht auseinander getrieben werden und verklumpte so früher als die „normale“ Materie. Daher spielte dunkle Materie für die Strukturbildung des Universums wohl die wichtigste Rolle.

Selbst mit den heute besten Supercomputern ist es nicht möglich, die Vorgänge im gesamten bekannten Universum zu modellieren. Daher beschränkte man sich auf einen würfelförmigen Ausschnitt von 500 MPc/h Kantenlänge, was zum Zeitraum z=0 einer Länge von 685 Millionen Parsec bzw 2,2 Milliarden Lichtjahren entspricht. In diesen Bereich wurde dunkle Materie von 10 Trillionen Sonnenmassen auf 10 Milliarden virtuelle Teilchen gleichmäßig verteilt eingebracht. Zum Start der Simulation wurden der Verteilung der dunklen Materie winzige Dichteschwankungen aufgeprägt. Auch in der Realität müssen solche Unregelmäßigkeiten vorhanden gewesen sein, wie aus der Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung bekannt ist. Die Stärke der Unregelmäßigkeiten der Simulation entspricht etwa der im realen Universum 10 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Programm berechnete nun die Bewegung eines jeden Teilchens aufgrund der Schwerkraft mit einer Schrittlänge von etwa einer Million Jahren. Wie dem realen Universum war auch der Simulation ein expandierender Raum zugrunde gelegt. Die Simulation endete nach etwa 11.000 Zeitschritten, was einer Zeitspanne von 14 Milliarden Jahren, also dem Alter des heutigen Universums, entspricht. Die Simulation dauerte 28 Tage, dafür waren 512 Prozessoren nötig.

In einem zweiten Simulationsschritt wurde normale Materie in die Simulation entsprechend der Verteilung von dunkler Materie hineinmodelliert, wodurch aufleuchtende Sterne und Galaxienformen visualisiert werden konnten.

Das Ergebnis

Die Simulation zeigt, wie sich eingebrachte Dichteschwankungen allmählich verstärken, sodass schließlich eine klumpige Struktur wie das heutige Universum entsteht, denn verklumpte Bereiche üben eine größere Anziehungskraft auf andere Teilchen aus. Am Ende der Simulation hatten sich Massenansammlungen in der Größe von Galaxien und Galaxienhaufen gebildet. Es war insgesamt eine netzartige Struktur mit fraktalen Eigenschaften entstanden.

Die Simulationsergebnisse stimmen sehr gut mit den Beobachtungen der Realität überein, wodurch erstmals ein Modell des ganzen Universums erzeugt worden ist. Mit der Millennium-Simulation wurde auch bestätigt, dass sich erste Quasare bereits kurz nach dem Urknall gebildet haben, was unter Wissenschaftlern bis dahin eine strittige Frage war, und dass diese Objekte in Galaxienzentren anzutreffen sind.

Literatur

Der Kosmos im Computer. Spektrum der Wissenschaft 11/05, S. 12ff

Weblinks

Informationen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik