Astronomen führen größte kosmologische Computersimulation aller Zeiten durch

Ein internationales Team von Astronomen hat die vermutlich größte kosmologische Computersimulation aller Zeiten durchgeführt und dabei nicht nur dunkle, sondern auch gewöhnliche Materie (wie Planeten, Sterne und Galaxien) verfolgt und uns einen Einblick in die Entwicklung unseres Universums gegeben.

Die FLAMINGO-Simulationen berechnen die Entwicklung aller Komponenten des Universums – gewöhnliche Materie, dunkle Materie und dunkle Energie – gemäß den Gesetzen der Physik. Im Verlauf der Simulation entstehen virtuelle Galaxien und Galaxienhaufen. Drei Papiere gewesen sein veröffentlicht In Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society: Einer beschreibt die Methoden, ein anderer stellt die Simulationen vor und der dritte untersucht, wie gut die Simulationen die großräumige Struktur des Universums reproduzieren.

Einrichtungen wie das kürzlich von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gestartete Euclid-Weltraumteleskop und das JWST der NASA sammeln beeindruckende Datenmengen über Galaxien, Quasare und Sterne. Simulationen wie FLAMINGO spielen eine Schlüsselrolle bei der wissenschaftlichen Interpretation der Daten, indem sie Vorhersagen aus Theorien unseres Universums mit den beobachteten Daten verknüpfen.

Der Theorie zufolge werden die Eigenschaften unseres gesamten Universums durch einige Zahlen bestimmt, die „kosmologische Parameter“ genannt werden (sechs davon in der einfachsten Version der Theorie). Die Werte dieser Parameter können auf verschiedene Arten sehr genau gemessen werden.

Eine dieser Methoden beruht auf den Eigenschaften des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB), einem schwachen Hintergrundglühen, das vom frühen Universum übrig geblieben ist. Allerdings stimmen diese Werte nicht mit denen überein, die mit anderen Techniken gemessen werden, die auf der Art und Weise beruhen, wie die Gravitationskraft von Galaxien das Licht beugt (Linseneffekt). Diese „Spannungen“ könnten den Untergang des Standardmodells der Kosmologie – des Modells der kalten dunklen Materie – signalisieren.

Die Computersimulationen können möglicherweise die Ursache dieser Spannungen aufdecken, da sie Wissenschaftler über mögliche Verzerrungen (systematische Fehler) in den Messungen informieren können. Wenn keines davon ausreicht, um die Spannungen zu erklären, wird die Theorie in echte Schwierigkeiten geraten.

Bisher verfolgen die Computersimulationen, die zum Vergleich mit den Beobachtungen herangezogen wurden, nur kalte dunkle Materie. „Obwohl die Dunkle Materie die Schwerkraft dominiert, kann der Beitrag der gewöhnlichen Materie nicht länger vernachlässigt werden“, sagt Forschungsleiter Joop Schaye (Universität Leiden), „da dieser Beitrag den Abweichungen zwischen den Modellen und den Beobachtungen ähneln könnte.“

Die ersten Ergebnisse zeigen, dass sowohl Neutrinos als auch gewöhnliche Materie für genaue Vorhersagen unerlässlich sind, die Spannungen zwischen den verschiedenen kosmologischen Beobachtungen jedoch nicht beseitigen.

Simulationen, die auch gewöhnliche, baryonische Materie (auch baryonische Materie genannt) verfolgen, sind viel anspruchsvoller und erfordern viel mehr Rechenleistung. Dies liegt daran, dass gewöhnliche Materie – die nur 16 Prozent der gesamten Materie im Universum ausmacht – nicht nur der Schwerkraft, sondern auch dem Gasdruck ausgesetzt ist, was dazu führen kann, dass Materie durch aktive Schwarze Löcher und Supernovae weit in den intergalaktischen Raum aus Galaxien geschleudert wird.

Die Stärke dieser intergalaktischen Winde hängt von Explosionen im interstellaren Medium ab und ist sehr schwer vorherzusagen. Darüber hinaus ist auch der Beitrag von Neutrinos, subatomaren Teilchen mit sehr kleiner, aber nicht genau bekannter Masse, wichtig, deren Bewegung jedoch bisher nicht simuliert wurde.

Die Astronomen haben eine Reihe von Computersimulationen durchgeführt, die die Strukturbildung in Dunkler Materie, gewöhnlicher Materie und Neutrinos verfolgen. Ph.D. Student Roi Kugel (Universität Leiden) erklärt: „Die Wirkung galaktischer Winde wurde mithilfe maschinellen Lernens kalibriert, indem die Vorhersagen vieler verschiedener Simulationen relativ kleiner Volumina mit den beobachteten Galaxienmassen und der Gasverteilung in Galaxienhaufen verglichen wurden.“ “

Das Modell, das die Kalibrierungsbeobachtungen am besten beschreibt, simulierten die Forscher mit einem Supercomputer in verschiedenen kosmischen Volumina und mit unterschiedlichen Auflösungen. Darüber hinaus variierten sie die Parameter des Modells, darunter die Stärke galaktischer Winde, die Masse der Neutrinos und die kosmologischen Parameter in Simulationen etwas kleinerer, aber immer noch großer Volumina.

Die größte Simulation verwendet 300 Milliarden Auflösungselemente (Teilchen mit der Masse einer kleinen Galaxie) in einem kubischen Volumen mit Kanten von zehn Milliarden Lichtjahren. Es wird angenommen, dass dies die größte kosmologische Computersimulation mit gewöhnlicher Materie ist, die jemals durchgeführt wurde. Matthieu Schaller von der Universität Leiden sagte: „Um diese Simulation zu ermöglichen, haben wir einen neuen Code entwickelt, SWIFT, der die Rechenarbeit effizient auf 30.000 CPUs verteilt.“

Die FLAMINGO-Simulationen öffnen ein neues virtuelles Fenster zum Universum, das dabei helfen wird, das Beste aus kosmologischen Beobachtungen zu machen. Darüber hinaus bietet die große Menge an (virtuellen) Daten Möglichkeiten, neue theoretische Entdeckungen zu machen und neue Datenanalysetechniken, einschließlich maschinellem Lernen, zu testen.

Mithilfe maschinellen Lernens können Astronomen dann Vorhersagen für zufällige virtuelle Universen treffen. Durch den Vergleich mit großräumigen Strukturbeobachtungen können sie die Werte kosmologischer Parameter messen. Darüber hinaus können sie die entsprechenden Unsicherheiten messen, indem sie sie mit Beobachtungen vergleichen, die die Wirkung galaktischer Winde einschränken.