LONDON (IT BOLTWISE) – Mit der Supercomputer-Simulation „Lumina“ wollen Forschende die frühe Entwicklung des Universums neu vermessen. Die Modellierung deckt einen Raum ab, der mehr als 100-mal größer ist als in vergleichbaren Arbeiten. Für die Berechnung liefen über 15.000 Grafikprozessoren auf dem Supercomputer Frontier. Ziel ist der Abgleich mit Daten vom James-Webb-Weltraumteleskop und dem kommenden Nancy-Grace-Roman-Teleskop.
Das James-Webb-Weltraumteleskop liefert derzeit bereits Messdaten, die die ersten Phasen nach dem Urknall in nie dagewesener Detailtiefe greifbar machen. Genau an dieser Stelle setzt das neue Großprojekt „Lumina“ an: Eine bislang besonders umfangreiche Simulation soll nicht nur beschreiben, wie sich Materie im frühen Kosmos verteilt hat, sondern vor allem, welche Signaturen diese Entwicklung später in Beobachtungen wie denen von JWST hinterlässt. Die Grundidee ist dabei simpel: Theorien werden in numerische Vorhersagen übersetzt, und erst wenn diese Vorhersagen sich mit realen Daten decken, gilt das Modell als belastbar.
Für Lumina bedeutete das einen enormen Rechen- und Datenaufwand. Laut Studie entstanden die Simulationen mit mehr als 15.000 Grafikprozessoren, die auf „Frontier“ liefen, einem der leistungsfähigsten Systeme in der Supercomputing-Landschaft. Damit steht Lumina nicht nur für „größer als bisher“, sondern auch für einen strukturierten Versuch, die Physik möglichst vollständig in den numerischen Ablauf zu integrieren. Besonders anspruchsvoll ist dabei die Strahlungshydrodynamik: Das Modell koppelt Bewegungen von Gasen und Materie direkt an die Wirkung von Strahlung, statt Strahlungsprozesse nur indirekt oder stark vereinfachend zu approximieren.
In „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ wird Lumina als Simulation beschrieben, die das Zusammenspiel von gewöhnlicher Materie, Dunkler Materie und Strahlung über die ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall nachzeichnet. Dadurch entsteht ein Vergleichsmaßstab für Beobachtungen mehrerer Instrumente: Wenn Astronom: innen Daten vom JWST sowie vom Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop mit den Modellergebnissen abgleichen, können sie gezielt prüfen, wie gut etablierte Annahmen zur kosmischen Evolution tatsächlich greifen. Der entscheidende Nutzen liegt in der Richtung der Prüfung: Neue Abweichungen zwischen Vorhersage und Messung würden nicht nur einzelne Parameter betreffen, sondern könnten ganze Teile der bislang akzeptierten Erklärungen in Frage stellen.
Ungewöhnlich ist zudem, dass Lumina nicht bei den „klassischen“ Meilensteinen der kosmischen Entwicklung stehen bleibt. Erstmals verfolgt eine Simulation in diesem Rahmen auch die Helium-Reionisation und bildet ab, wie dieser Prozess die weitere Entwicklung des Universums beeinflusst. Rechenleistung alleine reicht dafür nicht; ebenso wichtig sind die numerischen Verfahren, die Energie- und Ionisationsprozesse über kosmische Distanzen konsistent abbilden. Der räumliche Umfang ist dabei Teil der Argumentation: Das modellierte Volumen liegt laut Angaben bei mehr als dem 100-Fachen vergleichbarer Simulationen und entspricht grob einem Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 1,5 Milliarden Lichtjahren.
Diese Kombination aus physikalischer Tiefe und großem Modellvolumen ist genau der Punkt, an dem Lumina in der Praxis als „Testfeld“ verstanden wird. Mitautor Aaron Smith, Assistenzprofessor für Physik an der University of Texas at Dallas, hebt dabei besonders hervor, dass sich die Umwandlung von Wasserstoff und Helium über ein solch großes Gebiet hinweg direkt nachvollziehen lässt, während gleichzeitig Galaxien und weitere leuchtende Objekte detailliert dargestellt werden. Der wissenschaftliche Wert entsteht also aus dem Zusammenspiel: Nicht nur die großskalige Verteilung zählt, sondern auch die Frage, welche Strukturen durch Strahlung und Gasdynamik tatsächlich „angetrieben“ werden.
Auch Erstautor Oliver Zier ordnet den Ansatz in den Kontext der kommenden Beobachtungen ein. „Um zu verstehen, was wir mit dem JWST-Teleskop beobachten, müssen wir unsere Theorien in detaillierte Vorhersagen umsetzen“, sagt er. Genau das ist die Brücke, die Lumina schlagen soll: Aus Simulationen werden beobachtbare Größen, die dann direkt mit den Daten abgeglichen werden können. Damit wird aus Rechenzeit eine Art universelle Übersetzungsmaschine, die Hypothesen zu Entstehung und Evolution des Kosmos in eine Form bringt, die sich experimentell prüfen lässt.
Für die nähere Forschungsarbeit verspricht Lumina mehrere Anschlussrichtungen. Laut Projekt sollen zukünftige Studien damit untersuchen, wie sich Gase zwischen Galaxien bewegen, wie Strahlung aus der frühen Phase die weitere Entwicklung geprägt hat und wie Regionen mit besonders intensiver Sternentstehung sich über die Zeit verändern. Damit adressiert das Projekt genau jene Fragen, an denen sich kosmologische Modelle in der Regel am stärksten reiben: Nicht die Existenz bestimmter Prozesse ist strittig, sondern ihre zeitliche Reihenfolge, ihre Kopplung untereinander und ihre Wirkung auf die Strukturbildung im Universum.
Für das Feld ist Lumina damit auch ein Signal für die Richtung, in die sich moderne Kosmologie numerisch bewegt. Simulationen werden immer weniger zu isolierten „Gedankenrechnungen“ und immer mehr zu umfassenden, vergleichbaren Experimenten auf High-Performance-Systemen. Wenn Roman-Teleskopdaten Anfang des kommenden Jahres in den Routinebetrieb übergehen, entsteht zudem ein zusätzlicher Prüfstein: Dann können Modelle wie Lumina noch schneller zeigen, ob sie nur erklärend wirken oder tatsächlich vorhersagestark sind.
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