Weltall im Computer Das Universum steht in Garching

Eine internationale Gruppe von Astrophysikern hat ein gewaltiges künstliches Universum geschaffen. Das Modell, das von einem Supercomputer errechnet wurde, stellt die Entwicklung unseres Kosmos nach - und soll künftig Wissenschaftlern weltweit ermöglichen, ihre Beobachtungen einzuordnen.

In Garching bei München gibt es seit kurzem ein neues Universum. Verglichen mit dem, das wir Menschen bewohnen, ist es relativ klein: Es passt in einen Würfel mit einer Kantenlänge von etwas über zwei Milliarden Lichtjahren. In diesen Weltraum-Würfel passen 20 Millionen Galaxien, einige Schwarze Löcher und auch ein paar Quasare. Garching steht aber noch: Das Mini-Universum existiert nur in einem Supercomputer des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik. Jetzt berichten die Forscher darüber im Wissenschaftsmagazin "Nature" (Bd. 435, S. 629).

Die Astrophysiker aus Bayern haben in Zusammenarbeit mit Kollegen aus England, Kanada, Japan und den USA das bislang umfangreichste mathematische Modell der Entwicklung unseres Kosmos errechnet. 28 Tage lang rackerten die 512 Prozessoren des hauseigenen Supercomputers. Das Ergebnis ist ein virtuelles Universum, das eine komplette Entwicklung von der Frühzeit, kurz nach dem Urknall, bis heute durchgemacht hatte.

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Astrophysik: Künstliches Universum

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Dabei wurde der Weg von mehr als zehn Milliarden fiktiven Teilchen, die jeweils eine Masse von etwa einer Milliarde Sonnen repräsentierten, im Computer nachgezeichnet - noch nie wurde die Bewegung so vieler einzelner Objekte simuliert.

Am Anfang jedoch stand nicht Rechenleistung, sondern die Arbeit der Sterngucker: Mit Teleskopen, die Mikrowellenstrahlung messen können, ist es gelungen, das heute 13,7 Milliarden Jahre alte Universum abzubilden, so wie es 400.000 Jahre nach dem Urknall aussah. "Aus der Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung im Mikrowellenbereich haben wir Karten des gesamten Himmels", erklärt Simon White auf Anfrage von SPIEGEL ONLINE. Max-Planck-Direktor White leitet in Deutschland die Arbeit der internationalen Forschergruppe, des sogenannten Virgo-Konsortiums.

Die Hintergrundstrahlung zeige, wie das Universum kurz nach seiner Geburt aussah - nämlich ziemlich unstrukturiert. Ganz am Anfang war die Materie relativ gleichmäßig verteilt. Galaxien, Sonnen oder gar Planeten gab es noch nicht, nur "kleine Schwankungen in der Dichte", sagt White. Aus dieser kosmischen Ursuppe wurde durch das Wirken der Gravitation nach und nach das Universum, in dem wir heute leben. Wie das geschah, soll das neue Modell mit dem Namen "Millennium Simulation" nachvollziehbar machen. "Wir haben von der Zeit 400.000 Jahre nach dem Urknall bis heute gerechnet", sagt White.

Besonders aufwendig war dabei, die Verteilung der sogenannten dunklen Materie zu errechnen. Nach aktuellen Erkenntnissen in der Kosmologie besteht das Universum zu etwa 70 Prozent aus "Dunkler Energie", einem mysteriösen Kraftfeld, das eine immer schnellere Expansion des Raums antreibt. Etwa ein Viertel liegt diesen Überlegungen zufolge als "Kalte Dunkle Materie" vor, in Form eines neuartigen Elementarteilchens, das man bisher auf der Erde noch nicht direkt nachweisen konnte. Nur etwa fünf Prozent bestehen dagegen aus gewöhnlicher atomarer Materie - im Wesentlichen aus den Elementen Helium und Wasserstoff.

Wie sind Galaxien und Schwarze Löcher entstanden?

Die Millienium-Simulation hatte nun einerseits das Ziel, das neue Bild der kosmischen Entwicklung und seine tatsächliche Übereinstimmung mit Beobachtungen zu überprüfen, zum anderen sollen mit ihr die komplexen physikalischen Prozesse erforscht werden, die zur Bildung von Galaxien und Schwarzen Löchern führen.

Besonders interessierten sich die Astrophysiker für die Simulation des frühen Wachstums der Schwarzen Löcher. Die Sloan Digital Sky Survey (SDSS), eines der größten systematischen Programme der beobachtetenden Astronomie zum Studium von Galaxien, hat ein paar sehr weit entfernte und sehr helle Quasare entdeckt. Anscheinend stecken in deren Mitte Schwarze Löcher mit mindestens einer Milliarde Sonnenmassen - obwohl sie aus einer Zeit stammen müssen, als das Universum weniger als ein Zehntel seines heutigen Alters erreicht hatte.

Ablgeich mit den Kollegen an den Teleskopen

"Viele Astronomen bezweifelten, dass es möglich sei, dies mit dem allmählichen Wachstum der kosmischen Strukturen im Standardmodell zu vereinbaren", sagt Volker Springel, der Leiter des Projekts am Max-Planck-Institut für Astrophysik. "Als wir aber unser Modell für die Entstehung von Galaxien und Quasaren anwandten, fanden wir, dass sich einige wenige schwere Schwarze Löcher tatsächlich früh genug bildeten, um diese seltenen SDSS-Quasare erklären zu können."

Die interessantesten Anwendungen der Simulation werden allerdings erst noch kommen, glaubt Simon White - in Zusammenarbeit mit den Kollegen, die das All mit Hochleistungs-Teleskopen ausspähen: "Neue Beobachtungsprogramme geben uns Informationen von noch nie gekannter Genauigkeit über die Eigenschaften von Galaxien, Schwarzen Löchern und der Großraumstruktur des Universums. Unsere Fähigkeit, die Konsequenzen unserer Theorien vorauszusagen, muss eine vergleichbare Präzision erreichen, wenn wir die Beobachtungen voll ausnutzen wollen, um etwas über den Ursprung und die Natur unserer Welt zu lernen. Die Millennium-Simulation ist hierfür ein einzigartiges Werkzeug."

Bis diese Zusammenarbeit reibungslos funktioniert, wird wohl aber noch einige Zeit vergehen: Denn die gewaltige Datenmenge der Millennium-Simulation kann man nicht mal eben per Email verschicken. White: "Wir versuchen im Moment, das für jeden Astronomen weltweit zugänglich zu machen."

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