• 26.04.2018
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Die Vermessung des unsichtbaren Kosmos

Joachim Stadel (Universität Zürich) sucht mit Computersimulationen nach Dunkler Materie

Ausschnitt aus der von Dr. Joachim Stadel und weiteren Wissenschaftlern der Universität Zürich erstellten Computersimulation: Jeder gelbe Punkt ist ein Halo aus Dunkler Materie, in dem eine Galaxie steckt. Die dunklen 'Fäden' sind Stellen im Universum mit einer hohen Dichte an Dunkler Materie, während an den hellen Stellen ('voids') nur wenig Dunkle Materie vorhanden ist.
Bild: B. Vogel
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Ausschnitt aus der von Dr. Joachim Stadel und weiteren Wissenschaftlern der Universität Zürich erstellten Computersimulation: Jeder gelbe Punkt ist ein Halo aus Dunkler Materie, in dem eine Galaxie steckt. Die dunklen 'Fäden' sind Stellen im Universum mit einer hohen Dichte an Dunkler Materie, während an den hellen Stellen ('voids') nur wenig Dunkle Materie vorhanden ist.
Ausschnitt aus der von Dr. Joachim Stadel und weiteren Wissenschaftlern der Universität Zürich erstellten Computersimulation: Jeder gelbe Punkt ist ein Halo aus Dunkler Materie, in dem eine Galaxie steckt. Die dunklen 'Fäden' sind Stellen im Universum mit einer hohen Dichte an Dunkler Materie, während an den hellen Stellen ('voids') nur wenig Dunkle Materie vorhanden ist. (Bild: B. Vogel)

Im Jahr 2021 soll der europäische Forschungssatellit Euclid ins Weltall starten. Mit ihm wollen Wissenschaftler aus der Schweiz und 15 weiteren Staaten ein besseres Verständnis von Dunkler Materie und Dunkler Energie gewinnen. Diese beiden 'Dinge' füllen nach Auffassung der modernen Astronomie grosse Teile des Universums aus, doch weder Dunkle Materie noch Dunkle Energie konnten bisher direkt beobachtet werden. Forscherinnen und Forscher der Universität Zürich haben zur Vorbereitung der Euclid-Mission eine komplexe Computersimulation von Dunkler Materie erstellt. Die Mission ist für die Teilchenphysik von grossem Interesse, denn auch die Teilchenphysik versucht ihrerseits mit Experimenten, Wesen und Aufbau von Dunkler Materie zu ergründen.

Joachim Stadel hatte einen weiten Weg hinter sich, als er 2002 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an die Universität Zürich kam. Geboren 1968, wuchs er in Kanada auf, „in der Prärie“, wie er sagt, promovierte dann in Seattle (University of Washington) in Astronomie und arbeitete später an der University of Victoria im Südwestzipfel Kanadas als Postdoc. Eine Zeitlang war er an einem Computerprojekt der NASA beteiligt. Vor 16 Jahren dann der Wechsel nach Zürich, wo er heute auf dem Irchel-Campus im Institut für Computergestützte Wissenschaften die Weiten des Universums erforscht.

Joachim Stadel ist numerischer Kosmologe. Das bedeutet unter anderem, dass er den offenen Fragen des Universums mit der Verarbeitung grosser Datenmengen auf den Grund geht. So ist es auch in einem Projekt, an dem der kanadisch-deutsche Doppelbürger zur Zeit arbeitet: In drei Jahren soll der Satellit Euclid ins All starten, um – so die Hoffnung – den Schleier über der Dunklen Materie und der Dunklen Energie zu lüften. Dunkle Materie ist jene bisher nicht beobachtete Form von Materie, die das Weltall ausfüllen muss, wenn unser Verständnis der Gravitationsgesetze zwischen den Himmelsgestirnen gelten soll. Dunkle Energie wiederum braucht es, will man erklären, warum das Universum mit exponentieller Geschwindigkeit auseinanderstrebt (expandiert), wie man heute aus entsprechenden Messungen weiss.

Simulation mit 25 Milliarden Galaxien

Dr. Joachim Stadel erstellt am Lehrstuhl für Computergestützte Astrophysik (Prof. Romain Teyssier) zusammen mit einem Wissenschaftlerteam Computersimulationen des Universums. Sie schaffen die Grundlage, dass Euclid dereinst genaue Messungen machen kann, und dass die Messergebnisse richtig interpretiert werden. Eine während den drei letzten Jahren erstellte Simulation stellt die Verteilung von Dunkler Materie dar. Dabei besonders faszinierend: Die Astrophysiker können die Verteilung der Dunklen Materie in Raum und Zeit sehr plastisch visualisieren, obschon man heute nur durch ihre gravitative Wechselwirkung überhaupt von der Existenz Dunkler Materie weiss.

Die Simulation umfasst nicht nur unsere eigene Galaxie, die Milchstrasse, sondern 50 Milliarden weiterer Galaxien. Das entspricht etwa einem Achtel des sichtbaren Universums. Die Simulation führt zu einem netzartigen Gebilde, in dem Filamente jene Stellen markieren, an denen die Dunkle Materie 'zusammenklumpt', und in dem gelbe Punkte sogenannte Halos darstellen – riesige Gebilde aus Dunkler Materie, die in ihrem Innern jeweils eine Galaxie enthalten (siehe Illustration). Ob die Dunkle Materie tatsächlich in dieser Art und Weise im Universum verteilt ist, wird ab 2021 die auf sechs Jahre angelegte Euclid-Mission zeigen. Euclid kann Dunkle Materie lokalisieren, weil das Licht von entfernten Galaxien auf dem Weg zu uns durch Unterschiede in der Massendichte unterschiedlich abgelenkt wird ('weak gravitational lensing').

Nachbildung des Universums

„Ausgangspunkt unserer Simulation war das Universum in dem Zustand, in dem es sich 300'000 Jahre nach dem Urknall befand. Das Universum von damals kann man sich vorstellen als einen Plasma-See aus Protonen und Elektronen, in dem es geringe Dichteunterschiede (Fluktuationen) gibt. Unsere Simulation stellt dar, was aus diesem See unter dem Einfluss der Gravitationskraft während der gut 13,8 Milliarden Jahre dauernden Entwicklung des Universums hervorgegangen ist“, bringt Stadel die Grundidee der Simulation auf den Punkt. „Wir haben für unsere Berechnungen nur einige wenige Annahmen getroffen. Um zu einem noch aussagekräftigeren Resultat zu kommen, müssten wir von der Teilchenphysik mehr darüber wissen, was Dunkle Materie eigentlich ist“, sagt Stadel. Er bringt mit diesem Hinweis auch zum Ausdruck, wie stark sich Teilchenphysik und Astrophysik gegenseitig bedingen.

Die Erstellung der Simulation der Dunkle-Materie-Verteilung im Universum ist das Ergebnis eines komplexen Rechnungsprozesses: Um die sehr aufwändige Rechenoperation auszuführen, wurde der Supercomputer 'Piz Daint' des Nationalen Hochleistungsrechenzentrums der Schweiz (CSCS) in Lugano für 80 Stunden in Anspruch genommen. In dieser Zeit wurden zwischen 4000 und 5000 Rechenknoten verwendet, was einer Rechenzeit von ungefähr 300'000 Server-Stunden entspricht. Die daraus resultierende Simulation ist einer von mehreren Beiträgen zur Euclid-Mission. Euclid ist ein Projekt der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Beteiligt sind neben der Schweiz 13 europäische Staaten, zudem Kanada und die USA.

Autor: Benedikt Vogel

Bei einem Besuch an der Universität Zürich hat uns Joachim Stadel erklärt, was ein Dunkle-Materie-Halo ist, und bei der Gelegenheit auch einen Blick auf die neue Computersimulation gewährt. Hier geht es zum Video:

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