Simuliertes Universum Dunkle Materie formte Struktur im All

Im Supercomputer entsteht die betörend schöne Komplexität des Universums überraschend leicht. Nur die Dunkle Materie scheint für die Strukturbildung verantwortlich zu sein, die Sterne folgen ihr. Im Vergleich mit dem echten All zeigt sich: Die Simulation ist erstaunlich akkurat.

Von Stefan Schmitt


Die Animation wirkt, als würde ein großer Schwarm oranger Glühwürmchen in Zeitlupe durch etwas sehr Zähes schwirren, transparenter Wackelpudding vielleicht. An manchen Stellen klumpen viele Lichtpunkte zusammen, an anderen Stellen herrscht Leere.

Tatsächlich stellt der Würfel einen Quadranten des Universums dar, dessen Kantenlänge 280 Millionen Lichtjahre misst. Nicht Glühwürmchen, sondern Galaxien leuchten hier, und der kleine Film ist keineswegs verlangsamt. Im Gegenteil, er zeigt wie sich die Verteilung von Sternensystemen über knapp die Hälfte der Lebensspanne des Universums entwickelt hat - fast bis in die Gegenwart.

Als Laie würde man erwarten, dass eine solche Simulation eine unglaublich komplexe Angelegenheit ist, bildet sie doch ein unvorstellbar großes Wirrwarr nach. Doch nichts dergleichen. "Das Modell, das wir benutzen, ist richtig, richtig einfach", sagt Andrey Kravtsov von der University of Chicago.

Simulation stimmt mit echtem All überein

Der Astrophysiker hat mit nur wenigen Grundannahmen die Strukturbildung in einem Teil des Universums simuliert und dann mit Beobachtungen des tatsächlichen Sternenhimmels verglichen. In der Fachzeitschrift "Astrophysical Journal" wird Kravtsov Ende Juni berichten: Die Ergebnisse der Simulation stimmen frappierend genau mit der beobachtbaren Realität überein.

Die Aufnahmen der Forschungsprojekte Deep Extragalactic Evolutionary Probe 2 (Deep2) und Sloan Digital Sky Survey erlaubten den Vergleich mit dem Ist-Zustand: Sloan zeigt eine detaillierte Aufnahmen des Sternenhimmels, und Deep2 kann verhältnismäßig weit in die Vergangenheit des Weltalls schauen, indem Licht von weit entfernten Sternen eingefangen wird.

Dabei ging es in seinem Computermodell nicht einmal um das sichtbare Universum. Vielmehr hat Kravtsov nur die sogenannte Dunkle Materie im Rechner wabern lassen und geschaut, welche Formationen sie im Verlauf der Zeit bildete.

Dunkle Materie als Formgeber des Universums

"Wir haben die Vorstellung, dass das Universum zum Großteil aus dunkler Materie besteht", sagt Stefan Gottlöber vom Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) zu SPIEGEL ONLINE. Er erklärt Kravtsovs Simpel-Trick: "Im Sinne der Prozessor-Rechenzeit ist Dunkle Materie viel billiger, weil sie nichts anderes tut als gravitatorisch wechselzuwirken." Bei der Simulation müssten daher viel weniger Parameter berücksichtigt werden.

Gottlöber kennt die Simulation gut. Zusammen mit Anatoly Klypin von der New Mexico State University hatte er das Programm in seiner jetzigen Version so umgeschrieben, dass es parallel auf 512 Prozessoren laufen kann. Ursprünglich entstand der Code für die Simulationssoftware als Kravtsovs Doktorarbeit.

Die aktuelle Animation haben Klyping und Kravtsov zusammen auf gleich drei Supercomputern errechnet, am National Center for Supercomputer Applications in Urbana-Champaign, am National Energy Research Scientific Computer Center und auf dem Columbia-Supercomputer der Nasa.

Drei Supercomputer formten Riesenwürfel

Die Glühwürmchen-artigen Galaxien hat Kravtsov nachträglich in die Simulation eingefügt, nach dem schlichten Prinzip: Wo es große Klumpen Dunkler Materie gibt, da sind auch viele Sterne. "Bemerkenswert, dass die Galaxienanordnung so elegant mit nichts als der Dynamik Dunkler Materie erklärt werden kann", sagte Kravtsov SPIEGEL ONLINE.

Die Annahme, dass die Verteilung der Dunklen Materie etwas mit der sichtbaren Materie zu tun hat, ist zwar weit verbreitet unter Astrophysikern. "Aber erstaunlich ist es schon, wie dieses simple Modell so gut funktioniert - und ein recht akkurates Bild für rund die Hälfte der Lebenszeit des Universums wiedergibt", sagt Gottlöber.

Der Potsdamer Forscher hält die Simulation des All-Würfels auch für aussagekräftig für das große Ganze: "Wenn man ein Volumen dieser Größe betrachtet, kann man da eigentlich auch sehen, wie das Universum als Ganzes sich entwickelt."

Bekräftigung für gängiges Inflations-Modell

"Die Ergebnisse bestätigen, dass unsere Vorstellung von der Strukturbildung im größeren Rahmen der Modelle von Urknall und Ausbreitung grundsätzlich korrekt sind - und auch quantitativ erklären können, wie im großen Maßstab Strukturen im Universum entstanden sind", sagt Kravtsov.

Der Vergleich zwischen Simulation und realer Beobachtung stärkt auch eine weit verbreitete Theorie über die Evolution unseres Universums. Alle Klumpen und Leerräume im Universum seien bereits in Form von Quantenflüssen in den ersten Phasen seiner Entwicklung angelegt gewesen, erklärt Kravtsov. "Diese Schwankungen wurden dann in der Phase der 'Inflation' [Ausdehnung] bis auf kosmologisch relevante Maßstäbe gestreckt."



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