Episode Details

In dieser Folge nehmen wir euch zuerst mit in die österreichische Ballsaison, bevor wir uns die Entwicklung des kompletten Universums vornehmen. Nicht in Echtzeit, sondern simuliert. Wie man den ganzen Kosmos im Computer abbildet und was man dabei lernen kann, erklärt Eva in dieser Folge am Beispiel der berühmten Millenium-Simulation. . Unterstützt den Podcast gerne bei Steady, Patreon oder Paypal unterstützen!

Ballsaison

Zur Einleitug erzählt Elka vom Wiener Ball der Wissenschaften und Eva von ihren Erlebnissen in der Ballsaison.

Wie simuliert man ein Universum?

Wir knüpfen an die vorige Folge an, in der wir über numerische Methoden und die Entdeckung von Gravitationswellen gesprochen haben, und fragen: Wie simuliert man eigentlich etwas so Großes wie das Universum? Wir können ja die Entwicklung des Universums nicht einfach “live” beobachten, weil seit dem Urknall Milliarden Jahre vergangen sind. Wenn wir verstehen wollen, wie Galaxien, Galaxienhaufen, Filamente und gigantische Leerräume entstanden sind, bleiben uns im Wesentlichen Beobachtungsdaten plus Physik plus Computer.

Elka erzählt zuvor aber noch kurz von ihrer eigenen Simulationserfahrung aus der Medizinphysik: In ihrer Masterarbeit hat sie mit Monte-Carlo-Simulationen gearbeitet, um zu modellieren, was bei Protonenbestrahlung im Körper passiert, also im Kontext der Strahlentherapie. Dabei wird vieles probabilistisch und stochastisch beschrieben, weil man nicht jeden einzelnen Prozess deterministisch Schritt für Schritt verfolgen kann. Wer sich für das Zentrum interessiert, das Elka erwähnt, findet hier Infos: MedAustron.

Danach erklärt Eva, wie Simulationen in der Astronomie typischerweise aufgebaut werden. Am Anfang steht eine präzise wissenschaftliche Frage, weil wir die Realität immer vereinfachen müssen. Dann entscheiden wir, welche physikalischen Prozesse relevant sind und welche wir vernachlässigen dürfen. Anschließend übersetzen wir das Ganze in Mathematik und numerische Verfahren, diskretisieren Raum, Zeit und Materie und legen Anfangsbedingungen fest. Erst dann lassen wir den Computer rechnen, oft parallelisiert auf vielen Prozessoren. Und selbst dann ist die Simulation noch nicht das Ende: Wir müssen die Ergebnisse analysieren und mit Beobachtungen vergleichen, sonst ist das Ganze zwar hübsch, aber wissenschaftlich wertlos.

Die Millenium-Simulation

Eine der berühmtesten kosmologischen Simulationen überhaupt ist die Millennium-Simulation aus dem Jahr 2005. Die spannende Idee dabei ist, dass sie sich im Kern auf dunkle Materie fokussiert. Auch wenn wir nicht wissen, woraus dunkle Materie genau besteht, können wir ihr Gravitationsverhalten modellieren, und das reicht, um großräumige Strukturbildung nachzuzeichnen. Ausgangspunkt ist das Standardmodell der Kosmologie, das Lambda-CDM-Modell.

Das Virgo-Konsortium hat die Simulation unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching durchgeführt. Startpunkt war eine sehr frühe Phase des Universums, kurz nach der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung, inklusive der winzigen Dichteschwankungen, die als Keime für spätere Strukturen dienen. Statt das komplette Universum zu berechnen, wurde ein würfelförmiger Ausschnitt simuliert, zwei Milliarden Lichtjahre Kantenlänge, und die Masse wurde in viele “Teilchen” aufgeteilt, die jeweils für sehr gr