Digitale Simulation des Universums

Für jeden Astro-Fan und Sternenliebhaber ist das Weltall wahrscheinlich ein unglaublich faszinierendes und zugleich komplexes und ungreifbares Phänomen. Als Universum bezeichnet man immerhin die Gesamtheit von Raum, Zeit und aller Materie und Energie darin. Mit bloßem Auge kann man in einer Sternenklaren Nacht, mit etwas Glück, die Milchstraße oder den einen oder anderen Planeten wie zum Beispiel Venus oder Mars erkennen. Mit einem Teleskop kann man dann schon etwas tiefer in die Weiten des Alls gelangen und interstellare Gaswolken, Galaxien und klare Strukturen von Planeten beobachten. Allerdings verhindern allein schon unsere Augen und auch äußere Umweltfaktoren, dass wir hier die ganze eigentliche Farbbrillanz und gestochene Schärfe, wie man sie von Astrofotos kennt, wahrnehmen können.

Am nächsten kommt man der Gesamtheit des Universums daher vermutlich im Planetarium. Hier wird oftmals eine „Reise“ durch die unendlichen Weiten des Alls angeboten, um einem das Thema näherzubringen. Eine etwas andere Art, sich dem Universum anzunähern bietet das sogenannte Illustris-Projekt: eine digitale Simulation des Universums.

Was ist überhaupt eine digitale Simulation?

Digitale Simulation des UniversumsEine Simulation ist zunächst einmal ein experimentelles Vorgehen, bei dem bestimmte Eigenschaften eines realen Systems nicht am Original selbst, sondern ersatzweise an einem Model, dem Simulator, untersucht werden. Es ist zum Beispiel im Flugzeugbau üblich, die Eigenschaften eines Originalflugzeugs erst einmal an einem verkleinerten Modell im Windkanal zu untersuchen. Dies basiert man auf dem Prinzip der physikalischen Ähnlichkeitsgesetze. Von digitaler Simulation spricht man, wenn die Simulation durch Nutzung digitaler Rechner erfolgt. Hier werden Simulationen aufgrund von mathematischer Analogien durchgeführt.

Das ist möglich, sofern eine Beschreibung des Systems durch mathematische Differentialgleichungen möglich ist. Die Lösung dieser Gleichungen kann dann nämlich rechnergestützt stattfinden. Bekannte mathematische Programme, die dies möglich machen, sind zum Beispiel MATLAB, Simulink oder Python.

Man kennt es aus dem Bio-, Physik- und Chemieunterricht: praktisch alles basiert auf Formeln, Gleichungen und Konstanten. So gibt es auch für die Entstehung des Universums eine Vielzahl an Gesetzen, die alle mathematischen Gleichungen als Grundlage haben. Daher ist es möglich, auch eine digitale Simulation des Universums zu erstellen.

Digitale Simulation des Universums: Das Illustris-Projekt

Digitale Simulation des Universums: Das Illustris-ProjektDas Illustris-Projekt ist eine Computersimulation die es ermöglicht, die Evolution des Universums nachzuvollziehen. Ende 2013 hat ein Team von Astrophysikern des MIT, HITS und Harvard um Mark Vogelsberger die bisher genaueste Simulation des Kosmos, die unsere Technik heutzutage ermöglicht, erschaffen. Diese trägt den offiziellen Namen „Illustris-Projekt“ und soll eine bis zu 10x feinere räumliche Auflösung bieten als frühere Simulationen. Bei der Simulation handelt es sich grob gesagt um eine hydrodynamische Simulation der dunklen Materie und des Gases im Universum.

Zunächst wurde rund 5 Jahre an dem Softwareprogramm „Arepo“ gearbeitet damit es letztlich so optimiert war, dass es in der Lage war die Menge an Daten zu verarbeiten. Insgesamt soll das Programm über einen Zeitraum von 8 Monaten, mit Hilfe von 8000 Mikroprozessoren, einen 200 Terrabyte großen Datensatz produziert haben: unser Universum.

Das war möglich, in dem Astrophysiker die uns heute bekannten Gleichungen zur Gravitation, Hydrodynamik, Atom- und Kernphysik, Strahlung und Magnetismus in das Computerprogramm eingegeben haben und diesen dann haben rechnen lassen. Außerdem wurden unter anderem die Auswirkung von Abkühlung und Photoionisation des Gases, Sternentstehung, Sternenwinde, Supernova- Explosionen, stellare schwarze Löcher und supermassereiche schwarze Löcher berücksichtigt.

Heraus kam tatsächlich eine ziemlich genaue Abbildung der Entstehungsgeschichte von rund 50,000 Galaxien über einen Zeitraum von 13 Milliarden Jahren verteilt, beginnend 12 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Laut Co-Autor des Illustris-Projekt Volker Springen, war der Kosmos 12 Millionen Jahre nach dem Urknall noch sehr jung und nicht zu vergleichen mit dem Kosmos, der uns heute bekannt ist. Es gab keine Galaxien, keine Sterne, Keine Planeten. Lediglich kleine Materieklumpen aus Wasserstoff, Helium und Dunkler Materie waren sichtbar. Laut dem Illustris-Model sind aus genau diesen kleinen Materieklumpen dann immer größere Verklumpungen entstanden: der Grundstein der heutigen kosmischen Strukturen.

Die Berechnungen des Illustris-Projekt zeigen sehr genau, wie sich dann im Laufe der Zeit aus diesen Materieklumpen kleine, urtümliche Galaxien formen. Durch Verschmelzungen untereinander legten diese dann an Masse zu. In diesen Ur-Galaxien entstanden dann schon Sterne, explodierten wieder und schwarze Löcher wuchsen in ihren Zentren heran.

Deine eigene digitale Simulation

Genug zur Theorie. Das tolle an diesem Projekt ist, dass ein Großteil der Daten mittlerweile für die Öffentlichkeit zugänglich ist. Über die offizielle Website des Projektes http://www.illustris-project.org kann man sich nach einer kurzen Anmeldung an einer großen Auswahl an aktuellen Daten bedienen (Die Website und die Datensätze an sich sind zwar auf Englisch, aber ein Erste-Schritte-Handbuch zum Lesen und bearbeiten der Daten ist in verschiedenen Sprachen erhältlich).

Denn: neben sogenannten Superrechnern, die es dem oben genannten Forschungsteam ermöglicht haben ihre Simulation des Universums auszuführen, gibt es auch für uns „Normalos“ diverse leistungsfähige Simulationsprogramme. Diese nehmen dem Anwender zum Beispiel einige Elementarfunktionen, die in jeder Simulation enthalten sind, ab.

Das können zum Beispiel Integrationsverfahren, Zeitablaufsteuerungen, Analyse- und Auswertefunktion etc sein. Das bedeutet, dass man sich beim Programmieren im Wesentlichen auf die Eingabe der benötigten Differentialgleichungen beschränken kann. Wer also über eine gewisse Basis Kenntnis des Programmierens verfügt, kann sich an den rohen Datensätzen des Illustris-Projekts probieren. Matlab oder Python sind zum Beispiel solche oben genannten Simulationsprogramme, die auch mit den Daten vom Illustris-Projekt kompatibel sind. Python steht zum Download frei zur Verfügung und Matlab kann man zumindest 30 Tage kostenlos testen.

Da die Datensätze vom Illustris-Programm sehr groß sind und es sich um eine aufwändige Grafikprogrammierung handelt, empfiehlt sich, neben ausreichend Leistung (RAM, GHz), auch auf eine geeignete Grafikkarte achten. Programme wie Matlab rechnen auf einer Grafikkarte und daher ist diese ein Grundstein um eine digitale Simulation zu erstellen.

Wer sich für das Thema interessiert, aber absolut keine Ahnung vom Programmieren hat, kann sich über die Illustris-Website auch einfach an einer Vielzahl von ausdrucksstarken Fotos und Videos bedienen, um die Entwicklung des Universums besser nachvollziehen zu können. Zu jedem Foto und Video findet man auch eine kleine Erklärung von dem, was da gerade zu sehen ist.

Quellen: