“Der Weltraum, ist groß, verdammt groß, du kannst dir einfach nicht vorstellen, wie groß, gigantisch, wahnsinnig riesenhaft der Weltraum ist. Du glaubst vielleicht, die Straße runter bis zur Drogerie ist eine ganz schöne Ecke, aber das ist einfach ein Klacks verglichen mit mit dem Weltraum.”

So lautet bekanntlich die Einleitung des Reiseführers “Per Anhalter durch die Galaxis”. Und diese Einleitung ist absolut korrekt. Das Universum IST verdammt groß und wir können uns diese Distanzen nicht vorstellen. Das Universum ist auch verdammt alt und das können wir uns ebenfalls nicht vorstellen. Wir wollen es uns aber gerne vorstellen, denn wir wollen Bescheid darüber wissen, was im Universum passiert und wie es sich entwickelt hat. Mit reiner Beobachtung ist es da aber nicht getan, denn wir können nicht die vielen Milliarden Jahre abwarten, innerhalb derer sich die diversen kosmologischen Prozesse abspielen. Aber das ist auch nicht nötig. Denn wir können uns ein künstliches Universum basteln und seine Entwicklung im Computer simulieren. Da dauert es dann vom Urknall bis zur Gegenwart nur noch ein paar Minuten und wir können in Ruhe alles erforschen was uns interessiert. Natürlich nur, wenn das simulierte Universum möglichst detailgetreu ist. Und was das angeht, haben Astronomen aus den USA, Deutschland und Großbritannien kürzlich einen wichtigen Schritt vorwärts gemacht.

Computersimulationen an sich sind natürlich keine große Neuigkeit sondern Standard in vielen wissenschaftlichen und technischen Bereichen. Aber besonders in der Astronomie sind sie von fundamentaler Bedeutung. Im Gegensatz zu anderen Disziplinen gibt es für die Astronomen keine Möglichkeit, ihre Studienobjekte direkt zu untersuchen und dazu kommt noch das Problem der langen Zeiträume. Man kann die Galaxien, Sterne und Planeten nicht aus unmittelbarer Nähe untersuchen und man kann ihnen nicht mal vernünftig dabei zusehen, wenn sie das machen, was sie machen. Will man wissen, wie Planeten entstehen, muss man ihnen Millionen Jahre lang zusehen. Will man wissen, wie sich ein Stern entwickelt, muss man ihn ein paar Milliarden Jahre lang beobachten. Und so weiter. Das ist in der Praxis natürlich unmöglich, also simuliert man diese Vorgänge im Computer.

In einigen Bereichen läuft das schon richtig gut. Wenn es zum Beispiel um die Bewegung der Himmelskörper geht, dann ist unser Wissen um die zugrunde liegenden Naturgesetze so gut, dass unsere Computersimulationen enorm genau sind. Wir können die Bewegung von Sonne, Erde und Mond so exakt vorhersagen um Sonnen- oder Mondfinsternisse mit hoher Genauigkeit zu prognostizieren. Wir wissen schon Jahre vorher wo genau sich im All ein Planet oder ein Asteroid befindet und können Raumsonden dort punktgenau landen lassen. Und es ist sogar vergleichsweise simpel, entsprechende Computermodell zur Simulation der Bewegung von Planeten zu schreiben bzw. zu benutzen (ich habe so ein Programm früher schon mal vorgestellt). Aber in anderen Bereichen wird es schon ein wenig schwieriger. Es ist immer noch ein absolut nicht-triviales Problem, die Vorgänge im Inneren eines Sterns am Computer zu simulieren. Es gibt natürlich jede Menge Forschung auf diesem Gebiet und die Leute die sich mit der numerischen Astrophysik beschäftigen haben teilweise enorm ausgeklügelte Programme geschrieben. Aber am Ende kann der Computer natürlich nur das simulieren, was wir ihm auftragen und so lange wir nicht ausreichend gut über die einzelnen Prozesse im Inneren der Sterne Bescheid wissen können wir dem Computer auch nicht sagen, was er simulieren soll.

Bewegung des Mars (Bild: © Eugene Alvin Villar, CC-BY-SA 3.0 2008.

Bewegung des Mars (Bild: © Eugene Alvin Villar, CC-BY-SA 3.0 2008.

Bei der Simulation des gesamten Universums kommt dann auch noch der immense technische Aufwand dazu. Ein paar Planeten im Computer um ihren Stern laufen zu lassen, ist heutzutage kein Problem mehr. Aber ein Kosmos voller Sterne, Galaxien, Gas, dunkler Materie, dunkler Energie, usw über die gesamte Lebensdauer des Universums zu simulieren, braucht schon ordentlich Computerpower. Zum Beispiel 8192 Prozessoren die 19 Millionen CPU-Stunden lang rechnen (was ungefähr 2000 Jahren Rechenzeit auf einem einzelnen Computer entspricht). So viel war nötig, um das Illustris-Projekt umzusetzen.

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Kommentare (19)

  1. #1 Crazee
    12. Mai 2014

    Erstaunlich!

  2. #2 tina
    12. Mai 2014

    Sehr spannend!

    Wenn die Simulation so gut mit den beobachteten Daten übereinstimmt, müsste man ja auch einen Blick in die Zukunft des Universums werfen können – also wie es z.B. in 20 oder 50 Mrd. Jahren aussieht.
    Hat man die Simulation auch schon in die Zukunft weiter laufen lassen oder plant man das? Von der Rechenleistung her sollte das ja machbar sein.

  3. #3 werner67
    12. Mai 2014

    Da die Simulation ja auf Daten aufbaut, die der Realität entnommen sind: Wie gross ist die Gefahr, hier einfach das zu “simulieren” was man auch finden will (Gesetz der sich selbst erfüllenden Prophezeiungen) ?

  4. #4 DasKleineTeilchen
    12. Mai 2014

    auf den beitrag von dir zu illustris warte ich schon ne weile, FF; danke für 🙂

  5. #5 Kallewirsch
    12. Mai 2014

    Wie gross ist die Gefahr, hier einfach das zu “simulieren” was man auch finden will

    Teil des Problems ist natürlich die Fragestellung: Was muss ich in meiner Simulation eigentlich alles berücksichtigen?
    AN dieser Stelle muss sich die Simulation der Realität stellen. Wenn nicht das heraus kommt, was heraus kommen sollte, dann gibt es 2 Möglichkeiten: Entweder ist das zugrundeliegende Modell grundsätzlich nicht geeignet, die Realität korrekt zu beschreiben. Oder, die zweite Möglichkeit, ich habe nicht alle wesentlichen relevanten Parameter im Modell.

    D.h. eine der wichtigen Erkenntnisse aus einer Simulation, die die tatsächlich beobachteten Ereignisse auch ziemlich genau so reproduzieren kann, ist es, das man zu der Aussage kommt “Mit den benutzten Parametern und diesen konkreten Werten, reproduziert dieses Modell offenbar die Realität”.

    D.h. die wesentlichste Aussage aus dieser Simulation lautet: Die Big Bang Theorie ist insofern stichhaltig, als eine Simulation basierend darauf, ähnliche Strukturen hervorbringt, die wir tatsächlich beobachten. Das heißt noch lange nicht, dass damit der Big Bang bewiesen ist. Es bedeutet nur, dass es erst mal keinen Grund gibt, ihn abzulehnen, denn wie sich gezeigt hat, entiwckelt sich in der Simulation mit diesen Annahmen und Parametern ein Universum, das ähnlich wie unserers aussieht.
    Es könnte ja auch sein, dass dies eben nicht gelingt. Wenn das bei einem Simulationsversuch nach dem anderen, mit varrierenden Parametern bzw. wenn sich niemand mehr vorstellen kann, was man in der Simulation noch berücksichtigen müsste, reihum immer nur scheitern würde, dann würde der BB, bzw. das Model wie sich das Universum dann daraus entwickelt hat, einen schweren Stand haben.

  6. #6 Alderamin
    12. Mai 2014

    @werner67

    Gering. Man geht ja von einem recht primitiven Anfangszustand aus, der (natürlich) mit den Häufigkeiten von Materie, Dunkler Materie und Dunkler Energie abgeglichen sein muss, die man anhand der Hintergrundstrahlung messen kann, und dann wendet man nur noch bekannte Naturgesetze an und wartet, was herauskommt, ohne dass ein weiterer Abgleich mit der Realität statt findet. Wenn man etwas wesentliches vergessen hat, die Naturgesetze sich anders als bekannt verhalten (z.B. MOND) oder der Anfangsmix nicht stimmt, dann kommt am Ende irgendetwas anderes heraus, als man heute am Himmel vorfindet.

    Wenn das Simulationsergebnis hingegen mit den Beobachtungen übereinstimmt, dann ist das ein guter Beleg dafür, dass man die Prozesse im Wesentlichen verstanden hat. Denn um diese geht es. Je näher das Simulationsergebnis der Realität kommt, desto besser hat man verstanden, was zwischen der Zeit kurz nach dem Urknall und heute abgelaufen ist.

    Eine Abweichung gibt es ja noch, die kleinen Galaxien in der Simulation entstehen viel zu früh und ergeben dann in der heutigen Zeit 2-3 mal so alte Sternenpopulationen, wie tatsächlich beobachtet werden. Vielleicht stimmt ja die Anfangstemperatur der Dunklen Materie in der Simulation noch nicht oder dergleichen (nur mal so ins Blaue geraten). Man wird da sicherlich noch an freien Parametern drehen können, bis die Simulation auch diesen Aspekt korrekt wiedergibt und lernt dadurch etwas über den notwendigen Anfangszustand des Universums.

  7. #7 Daniel
    Potsdam
    12. Mai 2014

    Danke für den interessanten Beitrag. Aber kannst du noch mal die Angabe von 350 Millionen Kubiklichtjahren für das simulierte Volumen überprüfen. Das erscheint mir doch etwas klein. Das entspräche einem Würfel mit der Kantenlänge von von rund 700 Lichtjahren.

  8. #8 G.K.
    12. Mai 2014

    Die neue Simulation Illustris umfasst einen Würfel von etwa 350 Millionen Lichtjahren Kantenlänge (also bei fast 14 Milliarden Lichtjahren Ausdehnung nur einen relativ kleinen Teil).

    ( Zitat aus Telepolis: Die allerneueste Biografie des Universums, Matthias Matting, 08.05.2014,
    http://www.heise.de/tp/artikel/41/41684/1.html )

  9. #9 Florian Freistetter
    12. Mai 2014

    @Daniel: Ja, ich meinte natürlich einen Würfel mit ner Kantenlänge von 350 Millionen Lichtjahren.

  10. #10 DasKleineTeilchen
    12. Mai 2014

    *räusper*. trotz der kantenlänge steht allerdings immer noch “Kubiklichtjahre”.

  11. #11 Florian Freistetter
    12. Mai 2014

    Ich spreche ja auch vom 11dimensionalen Universum der Stringtheorie. Da haben Würfel Kantenlängen mit Kubiklichtjahren…

  12. #12 Bjoern
    12. Mai 2014

    Ich kann mich erinnern, dass frühere Simulationen ein Problem hatten: Im Vergleich mit den Beobachtungen haben sie deutlich zu viele kleine Galaxien vorhergesagt. Hat sich dieses Problem inzwischen geklärt?

  13. #13 Alderamin
    12. Mai 2014

    @Bjoern

    Nicht mehr unbedingt zu viele, aber dafür zu frühe Zwerggalaxien, siehe #6, letzter Absatz (mit Link).

  14. #14 Havok
    12. Mai 2014

    Nochmal zur Kantenlängenangabe: Im Video steht 35 Mio. Lichtjahre.

    @Florian:
    Bei dem Bildvergleich Illustris vs. Hubble ist mir aufgefallen, dass Simulation deutlich mehr kleine blaue Galaxien produziert. Wird das irgendwie im Artikel diskutiert?
    Und was ich mich schon immer gefragt habe: Wer schreibt solche Programme? Tun das die Astrophysiker selbst oder wird das (zumindest in Teilen) an professionelle Programmierer ausgelagert?

  15. #15 Florian Freistetter
    12. Mai 2014

    @Havok: “Tun das die Astrophysiker selbst oder wird das (zumindest in Teilen) an professionelle Programmierer ausgelagert?”

    Kann ich mir absolut nicht vorstellen. Um so ein Programm schreiben zu können braucht es Unmengen an astronomischen Wissen das Programmierer selten haben. Und Programmieren gehört in diesen wissenschaftlichen Bereichen genau so zum Handwerk wie die Beherrschung von Mathematik. Es ist kein Wunder das sehr viele Astronomen irgendwann mal die Wissenschaft verlassen und Programmierer werden… Abgesehen davon wäre sowieso kein Geld da, um irgendwelche externen Dienstleister zu bezahlen.

  16. #16 PDP10
    12. Mai 2014

    @Florian:

    “@Havok: “Tun das die Astrophysiker selbst oder wird das (zumindest in Teilen) an professionelle Programmierer ausgelagert?”

    Kann ich mir absolut nicht vorstellen. Um so ein Programm schreiben zu können braucht es Unmengen an astronomischen Wissen das Programmierer selten haben.”

    Doch tut man. Muss man sogar.
    Allerdings nicht in dem Sinne, dass man da externe Dienstleister beauftragt.

    An so einem Projekt sind oft dutzende von Wissenschaftlern beteiligt. Und in diesem Bereich sind dann oft eben auch ein paar Informatiker dabei.

    Ich habe selber mal an so einem Projekt mitgearbeitet (vor sehr, sehr vielen Jahren und in viel kleinerem Rahmen) und wir waren zwei Physiker (ein Doktorand und ich als Studi) und zwei Informatiker (auch Doktorand und Studi).

    Insbesondere das Thema Simulationen auf Parallelrechnern ist technisch so komplex, dass man als Physiker / Astronom / Chemiker usw. gar keine Chance hat das mal eben so nebenher so tief zu durchdringen wie das ein Informatiker kann.
    Während der / die Informatikerin sich nicht mal so nebenbei in Themen wie ART, Strömungsphysik oder Molekülchemie einarbeiten kann.

    Deswegen tut man sich dann eben Zusammen …

  17. #17 Florian Freistetter
    12. Mai 2014

    @PDP10: “Insbesondere das Thema Simulationen auf Parallelrechnern ist technisch so komplex, dass man als Physiker / Astronom / Chemiker usw. gar keine Chance hat das mal eben so nebenher so tief zu durchdringen wie das ein Informatiker kann.”

    Das mag manchmal so sein. Manchmal aber eben auch nicht. Ich kenne genug Astronomen die durchaus sehr komplexe Programme für Parallelrechner geschrieben haben (manche haben diese Rechner sogar zuerst noch gebaut!).

  18. #18 DasKleineTeilchen
    13. Mai 2014

    @FF: sorry 😉 und schöner joke.

  19. #19 Silava
    13. Mai 2014

    @DasKleineTeilchen
    Hatte den Witz von Florian erst nicht verstanden. 3x 3 Dimensionen + die Zeitdimension ergab bei mir nur 10 Dimensionen. Ich wunderte mich schon wo die 11. Dimension abgeblieben ist.

    Das wird mir bei Illustris langsam zu kompliziert, da bleibe ich lieber bei EVE Online. 200 Lichtjahre Kantenlänge, eine etwas eigenwillige Interpretation der ART, dafür kann ich da aber munter mitsimulieren.