Zwei rekordbrechende Universumssimulationen verfolgen 13,4 Billionen Dunkle-Materie-Teilchen
Kosmologen haben ein Problem, das fast wie ein Paradoxon klingt: Je besser ihre Teleskope werden, desto schwieriger wird es, das Gesehene zu deuten. Dunkle Materie, die unsichtbare Substanz, von der man annimmt, dass sie den Großteil der Masse des Universums ausmacht, sendet kein eigenes Licht aus. Ihre Struktur wird nur indirekt sichtbar, durch die Art, wie sie Licht krümmt und bestimmt, wo Galaxien entstehen. Um diese Beobachtungen mit der Theorie zu verbinden, bauen Forscher riesige virtuelle Universen und lassen sie sich entwickeln.
Genau das hat ein Team des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums gerade in beispiellosem Maßstab getan. Mit Aurora, einem der ersten Exascale-Supercomputer der Welt, schlossen die Wissenschaftler die beiden größten jemals durchgeführten kosmologischen Simulationen ab, wie das chinesische Medium Science and Technology Daily berichtete. Jede Simulation verfolgte die Entwicklung von 13,4 Billionen Dunkle-Materie-Teilchen in einer Region von 28,6 Milliarden Lichtjahren Durchmesser.
Die Zahl ist kaum vorstellbar. Zum Vergleich: Frühere Flaggschiff-Simulationen verfolgten Teilchen in Milliarden- oder niedrigen Billionenhöhe. Der Sprung auf mehr als 13 Billionen Teilchen in einem einzigen Lauf bedeutet, dass das virtuelle Universum viel feinere Strukturen auflösen kann – kleine Ansammlungen Dunkler Materie, die sonst zu einem statistischen Nebel verschwimmen würden. Diese kleinen Strukturen sind wichtig, weil sie Spuren darin hinterlassen, wie sich Galaxien gruppieren und wie Dunkle Materie das Licht ferner Objekte verzerrt.
Die Simulationen zielen auf ein zentrales Thema: die kosmische Inflation, die Theorie, dass das sehr frühe Universum eine kurze, heftige Phase der Expansion durchlief. Dieser Prozess hätte winzige Quantenfluktuationen zu den Keimen der heutigen großräumigen Struktur gedehnt. Indem Astronomen simulierte Universen mit verschiedenen Inflationsszenarien mit realen Beobachtungen vergleichen, können sie eingrenzen, welche Versionen der Theorie Bestand haben.
Es gibt auch einen praktischen Nutzen. Eine neue Generation von Himmelsdurchmusterungen kartiert Milliarden von Galaxien und misst subtile Verzerrungen ihrer Formen. Diese Durchmusterungen erzeugen enorme Datensätze, und um kosmologische Informationen daraus zu gewinnen, sind ebenso enorme theoretische Vorhersagen nötig. Die Aurora-Läufe sollen als Referenzbibliothek für diese Analyse dienen und Forschern helfen, echte Signale von Rauschen und Modellierungsartefakten zu trennen.
Exascale-Computing, also Maschinen, die mehr als eine Quintillion Berechnungen pro Sekunde leisten können, ist ein lange angestrebter Meilenstein. Aurora, angesiedelt in Argonne bei Chicago, gehört zu den ersten Systemen, die diese Schwelle überschreiten. Die Kosmologie ist zu einer seiner Vorzeigeanwendungen geworden, da Simulationen der Dunklen Materie, die nur die Gravitation berücksichtigen, rechenintensiv, aber relativ sauber zu modellieren sind – ideal als Belastungstest für neue Hardware.
Für Leser weltweit ist die Geschichte eine Erinnerung daran, dass die moderne Astronomie zunehmend ein rechnerisches Unterfangen ist. Teleskope sammeln die Photonen, doch Supercomputer machen daraus Erkenntnis. Während Observatorien in Chile, Hawaii und schließlich im Weltraum immer größere Galaxienkataloge erzeugen, verschiebt sich der Engpass vom Sammeln der Daten zu ihrer Interpretation.
Die Ergebnisse des Argonne-Teams sind noch Simulationen, keine Entdeckungen, und ihr wissenschaftlicher Wert wird davon abhängen, wie gut sie mit der Realität übereinstimmen. Doch jede Verdopplung der Teilchenzahl bringt das virtuelle Universum dem realen ein Stück näher, und die größten Strukturen des Kosmos werden nun auf einer Maschine in Illinois nachgebildet – Teilchen für Teilchen.