Juni 17, 2024

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Eine riesige kosmische Simulation umschließt das Ganze und erschafft einen größeren Teil des Universums

Eine riesige kosmische Simulation umschließt das Ganze und erschafft einen größeren Teil des Universums

Unter Astronomiestudenten gibt es einen alten Witz über eine Frage in der Abschlussprüfung für einen Kosmologiekurs. Es sieht so aus: „Beschreiben Sie das Universum und nennen Sie drei Beispiele.“ Nun, einem Forscherteam aus Deutschland, den Vereinigten Staaten und dem Vereinigten Königreich ist ein großer Schritt gelungen, um zumindest ein genaues Beispiel dafür zu liefern, wie das Universum aussieht.

Dazu nutzten sie eine Reihe von Simulationen namens „MillenniumTNG“. Es verfolgt die Anhäufung von Galaxien und die kosmische Struktur im Laufe der Zeit. Es bietet auch eine neue Sicht auf das standardmäßige kosmologische Modell des Universums. Es ist die neueste kosmologische Simulation und schließt sich so ehrgeizigen Bemühungen wie dem AbacusSummit-Projekt vor zwei Jahren an.

Dieses Simulationsprojekt berücksichtigt möglichst viele Aspekte der kosmischen Evolution. Es verwendet Simulationen gewöhnlicher (baryonischer) Materie (die wir im Universum sehen). Dazu gehören auch Dunkle Materie, Neutrinos und Dunkle Energie, deren Mechanismen zur Entstehung des Universums noch unklar sind. Dies ist eine lange Anfrage.

Universumssimulation

Mehr als 120.000 Rechenzentren von SuperMUC-NG in Deutschland arbeiteten an den Daten für MillenniumTNG. Es folgte die Entstehung von etwa hundert Millionen Galaxien in einem Raumbereich mit einem Durchmesser von etwa 2.400 Millionen Lichtjahren. Dann machte sich Cosma8 in Durham an die Arbeit und berechnete ein Universum, das größer als die Größe war, aber mit einer Billion simulierter Teilchen der Dunklen Materie und weiteren 10 Milliarden Teilchen gefüllt war, die die Wirkung massiver Neutrinos verfolgten.

Projektionen von Gas (oben links), dunkler Materie (oben rechts) und Sternenlicht (unten in der Mitte) eines Chips in der größten hydrodynamischen Simulation von MillenniumTNG in der aktuellen Ära. Die Scheibe ist etwa 35 Millionen Lichtjahre dick. MPA mit freundlicher Genehmigung.

Das Ergebnis dieser Anzahl von Crunches war eine simulierte Region des Universums, die die Zusammensetzung und Verteilung von Galaxien widerspiegelt. Die Größe war groß genug, dass Kosmologen damit Annahmen über das gesamte Universum und seine Geschichte extrapolieren konnten. Sie können damit auch nach „Rissen“ im kosmologischen Standardmodell des Universums suchen.

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Kosmologisches Modell und Vorhersage

Kosmologen schlagen dieses Grundmodell vor, um die Entwicklung des Universums zu erklären. Es geht so: Das Universum hat verschiedene Arten von Materie. Es gibt gewöhnliche baryonische Materie, aus der wir alle, Sterne, Planeten und Galaxien bestehen. Es macht knapp 5 % des „Stoffes“ des Universums aus. Der Rest ist dunkle Materie und dunkle Energie.

Zusammengesetztes Modell der Materieverteilung (mit Überlagerung dunkler Materie) in einer Galaxienentstehungssimulation von TNG Collaboration.
Zusammengesetztes Modell der Materieverteilung (mit Überlagerung dunkler Materie) in einer Galaxienentstehungssimulation von TNG Collaboration.

Die kosmologische Gemeinschaft nennt diese seltsamen kosmischen Bedingungen das Modell der „kalten Lambda-dunklen Materie“ (kurz LCDM). Es beschreibt das Universum eigentlich ziemlich gut. Allerdings gibt es einige Unstimmigkeiten. Dies soll durch Simulation gelöst werden. Das Modell stützt sich auf Daten aus einer Vielzahl von Quellen, einschließlich der kosmischen Mikrowellenstrahlung des „kosmischen Netzes“, in dem Galaxien entlang eines komplizierten Netzes aus Filamenten aus dunkler Materie angeordnet sind.

Es fehlt noch an einem guten Verständnis dafür, was genau Dunkle Materie ist. Und für dunkle Energie ist es eine Herausforderung. Und Astrophysiker und Kosmologen wollen das LCDM und die Existenz zweier großer Unbekannter besser verstehen. Das erfordert viele sensible neue Beobachtungen von Astronomen. Auf der anderen Seite benötigen sie auch detailliertere Vorhersagen darüber, was das LCDM-Modell tatsächlich vorschlägt. Es ist eine große Herausforderung und der Antrieb für die großen Simulationen von MillenniumTNG. Wenn Kosmologen das Universum erfolgreich simulieren können, können sie diese Simulationen nutzen, um zu verstehen, was „im wirklichen Leben“ geschieht. Dazu gehören Eigenschaften von Galaxien sowohl im modernen als auch im sehr frühen Universum.

Mit MillenniumTNG die Trends von Galaxien im Universum verstehen und vorhersagen

Die MillenniumTNG-Simulationen folgen auf die bisherigen Simulationsprojekte „Millennium“ und „IllustrisTNG“. Diese neuere Gruppe bietet ein Werkzeug, um einige Lücken in ihrem Verständnis von Dingen wie Galaxienentwicklung und -formen (oder Morphologie) aufzuzeigen.

Astronomen wissen seit langem etwas, das man „intrinsische galaktische Ausrichtung“ nennt. Dies ist im Grunde eine Tendenz von Galaxien, ihre Formen aus Gründen, die niemand vollständig versteht, in ähnliche Richtungen auszurichten.

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Es stellt sich heraus, dass eine schwache Gravitationslinse die Art und Weise beeinflusst, wie wir die Ausrichtung der Galaxie sehen. MillenniumTNG-Simulationen könnten es Astronomen ermöglichen, solche Ausrichtungen in der „realen Welt“ mithilfe simulierter Ausrichtungen zu messen. Laut Teammitglied Ana Maria Delgado ist dies ein großer Fortschritt. „Vielleicht kann unsere Bestimmung der intrinsischen Ausrichtung der Galaxienrichtungen dazu beitragen, die aktuelle Diskrepanz zwischen der Amplitude der Clustermaterie, die aus der schwachen Linsenwirkung und dem kosmischen Mikrowellenhintergrund abgeleitet wird, aufzulösen“, sagte sie.

vorbei klingend

Wie in anderen Bereichen der Kosmologie untersucht die MillenniumTNG-Gruppe das sehr junge Universum durch Simulationen. Dies ist die Zeit nach der Ära der Reionisierung, als die ersten Sterne bereits hell leuchteten und sich die ersten Galaxien entwickelten. Einige dieser frühen Galaxien sind sehr groß, was nicht mit dem jungen Universum in Zusammenhang steht. Sie wurden vom James Webb Space Telescope (JWST) gesehen und es bleibt die Frage: Wie konnten sie in so kurzer Zeit nach dem Urknall so massiv werden?

Die MillenniumTNG-Simulation scheint diese Tendenz einiger früher Galaxien zu reproduzieren, in kurzer Zeit exponentiell zu wachsen. Typischerweise wäre dies etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall. Warum sind diese Galaxien so massereich? Der Astronom Rahul Kannan bietet einige Ideen, um dies zu erklären. „Vielleicht war die Sternentstehung kurz nach dem Urknall effizienter als zu späteren Zeiten, oder es könnten sich zu dieser Zeit massereiche Sterne mit höherer Geschwindigkeit gebildet haben, was diese Galaxien ungewöhnlich hell machte“, erklärte er.

Da das JWST nun frühere Zeiten in der kosmischen Geschichte betrachtet, wird es interessant sein zu sehen, ob die Simulationen vorhersagen, was es findet. Keenan vermutet, dass es möglicherweise eine Kluft zwischen dem realen Universum und der Simulation gibt. Wenn das geschieht, stellt sich für Kosmologen eine weitere verwirrende Frage nach den frühesten Epochen der kosmischen Geschichte.

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Die Zukunft der simulierten und realen Universumserforschung

Die kommenden Jahrzehnte kosmologischer Studien werden stark von Simulationen wie dem Millennium TNG profitieren. Allerdings sind Simulationen nur so gut wie die Daten, die sie erhalten, und die Annahmen, die ihre Wissenschaftsteams treffen. MillenniumTNG profitiert von umfangreichen Informationsdatenbanken sowie der Fähigkeit von Supercomputern, seine Daten zu verarbeiten. Laut dem Hauptforscher des Teams, Professor Volker Sprengel vom Max-Planck-Institut, sind Simulationen, die mehr als 3 Petabyte an Daten generiert haben, ein großer Gewinn für die Kosmologie.

„MillenniumTNG kombiniert jüngste Fortschritte bei Simulationen der Galaxienentstehung mit dem Bereich der großräumigen kosmischen Struktur und ermöglicht so eine verbesserte theoretische Modellierung der Verbindung von Galaxien mit dem Rückgrat der dunklen Materie des Universums“, sagte er. „Dies könnte sehr nützlich sein, um Schlüsselfragen in der Kosmologie voranzutreiben, beispielsweise wie die Masse von Neutrinos durch großräumige Strukturdaten besser eingeschränkt werden kann.“

Verteilung von Galaxien in MillenniumTNG, wobei Galaxien und Standorte im Rahmen der Simulation projiziert werden. Tatsächliche Beobachtungen von Galaxien können durch Doppler-Effekt-Verschiebungen gestört werden, die in die Simulation einbezogen werden können. MPA mit freundlicher Genehmigung.

Seine Vorhersagen stimmen sicherlich mit den Zielen des MillenniumTNG-Projekts überein. Die Teams bauen weiterhin auf dem Erfolg des IllustrisTNG-Projekts auf, das zusätzlich zu der vor fast einem Jahrzehnt erstellten Millennium-Simulation nur für dunkle Materie auch hydrodynamische Simulationen durchführte. Die Simulationen des Teams wurden verwendet, um eine Reihe verschiedener galaktischer Themen zu untersuchen. Dazu gehören die Ansammlung von Materie und Halos von Galaxien, Galaxienhaufen und deren Verteilung, Modelle der Galaxienentstehung, Galaxienhaufen im frühen Universum, die intrinsische Ausrichtung von Galaxien und andere verwandte Themen. Obwohl sie möglicherweise nicht in der Lage sind, das Universum vollständig zu definieren (und drei Beispiele zu nennen), macht das MillenniumTNG-Team große Fortschritte beim Verständnis seines Ursprungs und seiner Entwicklung.

für mehr Informationen

Auf der Suche nach Rissen im kosmologischen Standardmodell
Webseite des MillenniumTNG-Projekts