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Das Universum ab Anbeginn der Zeit spiegelt sich in den Gleichungen, mit denen Astrophysiker Supercomputer füttern. Was herauskommt, sind Entwicklungshypothesen, die sich an Beobachtungen messen lassen.

Linux-Magazin: Unter einer astrophysikalischen Simulation kann sich vielleicht nicht jeder gleich etwas Konkretes vorstellen. Vielleicht schildern Sie zur Einstimmung einmal in groben Zügen, was sie berechnen?

Volker Springel: Wir verfolgen die Entwicklung des Universums von einer Zeit kurz nach dem Urknall bis zur heutigen Epoche, also über einen Zeitraum von gut 13 Milliarden Jahren. Am Anfang gibt es noch keine Sterne und keine Schwarzen Löcher und die Materie ist gleichmäßig im Raum verteilt. Mit der Zeit entstehen dann aber kleine Strukturen unter dem Einfluss der Schwerkraft (Abbildung 1), die schließlich zu Galaxien unterschiedlicher Größe heranwachsen. So eine Galaxie ist ein riesiges System aus etwa 100 Milliarden Sternen, oft in der Form einer sich drehenden Scheibe, wie etwa auch unsere eigene Milchstraße. Im Zentrum befindet sich ein superschweres Schwarzes Loch, und das Ganze ist eingebettet in eine große Wolke aus Dunkler Materie, die einen Großteil der Masse im Universum ausmacht.

Unsere Simulationen berechnen die physikalischen Wechselwirkungen zwischen all diesen Komponenten. Wenn das Ergebnis mit den Beobachtungen übereinstimmt, ist das ein Beleg für die Tragfähigkeit unserer theoretischen Vorstellungen über die Entwicklung des Kosmos, wenn nicht, kann man damit bestimmte Theorien widerlegen.

Linux-Magazin: Sie rechnen ihre Simulationen auf Supercomputern. Was erhoffen Sie sich von deren Weiterentwicklung? Was müssten die Höchstleistungsrechner können, um Sie noch besser zu unterstützen? Können da Quantencomputer helfen, wie es sie in absehbarer Zeit geben mag?

Abbildung 1: Künstlerische Darstellung von chaotischen Feldlinien um einen entstehenden Stern. © NRAO/AUI/NSF; D. Berry

Volker Springel: Da wir versuchen, das ganze sichtbare Universum zu berechnen, ist unser Appetit auf leistungsfähige Computer natürlich extrem groß (Abbildung 2). Uns hilft daher sehr, dass Supercomputer von Jahr zu Jahr schneller werden, auch wenn das derzeit vor allem durch eine immer größere Zahl von Kernen erfolgt. Letzteres macht es für uns aber immer schwieriger. Denn wir müssen den Grad der Parallelität weiter in die Höhe schrauben und die Rechenarbeit auf immer mehr Schultern verteilen. Da alle Teile unserer Rechnungen eng miteinander verzahnt sind, ist dies sehr anspruchsvoll und bei bestimmten Algorithmen gibt es fundamentale Grenzen für die erreichbare Parallelität.

Abbildung 2: Auf Supercomputern – hier dem SuperMUC im Leibniz-Rechenzentrum – laufen die Simulationen. © Leibniz Rechenzentrum

Für uns wäre es daher ganz klar wünschenswert, wenn ein technologischer Durchbruch eine erhebliche Steigerung der Leistung einzelner Kerne erlauben könnte. Ich bin nicht sehr optimistisch, dass Quantencomputer uns hierbei in absehbarer Zeit helfen können, da sie ihre Stärke vermutlich nur bei bestimmten Problemen ausspielen können, zu denen unsere recht komplexen Algorithmen nicht zählen.

Linux-Magazin: Worin liegt eigentlich die größte Schwierigkeit beim Programmieren einer Weltraumsimulation? Und welche Sprachen und Tools nutzt man dafür? Spielt dabei Linux und Open Source eine Rolle?

Volker Springel: Ich meine, es gibt zwei große Herausforderungen. Die eine ist, ein mathematisches Verfahren zu finden, das die physikalischen Gleichungen in numerisch effizienter Weise näherungsweise löst. Beispielsweise müssen wir das Gravitationsfeld für jedes Teilchen in unserer Simulation berechnen.

Man kann das machen, indem man die Schwerkraft von allen anderen Teilchen summiert. Dieses Verfahren wäre zwar genau, es ist aber auch extrem langsam – würden wir das benutzen, dauerten unsere Rechnungen länger als das Alter des Universums! Also muss man mathematische Tricks oder Näherungsverfahren verwenden, die das Ganze in sehr viel kürzerer Zeit schaffen.

Die zweite Schwierigkeit ist, die Rechnung so zu parallelisieren, dass sehr viele Computer gleichzeitig an ihr arbeiten und dann auch entsprechend schneller fertig sind. Allerdings sind unsere Arbeitspakete nicht unabhängig voneinander, deshalb ist diese Aufteilung nicht trivial möglich und erfordert die Programmierung von komplizierten Kommunikationsroutinen, die ständig Teilergebnisse austauschen und für eine gleichmäßige Auslastung aller Computer (das können schon einmal einige Zehntausend sein) sorgen.

Linux ist das Standardbetriebssystem auf allen Supercomputern und Workstations, mit denen wir arbeiten. Wir benutzen vor allem C für die Programmierung und in einigen neueren Code-Teilen auch C++. In unserer Forschungsarbeit verwenden wir praktisch ausschließlich Open-Source-Software. Ohne GNU-Compiler, Emacs, Python, das Latex-Satzsystem oder Bibliotheken wie GSL, FFTW, HDF5 und so weiter wären wir aufgeschmissen.

Linux-Magazin; Kann man aus dem Wissen über die Sternenentstehung eigentlich irgendeinen irdischen Vorteil ziehen?

Volker Springel: Eine direkte ökonomische Relevanz ist mir nicht bekannt, aber das kulturelle Wissen, das damit verknüpft ist, scheint mir dennoch erstrebenswert. In der Grundlagenforschung ist es oft so, dass man quasi als Nebenprodukt Dinge entdeckt, die sich irgendwann später als überaus nützlich erweisen. Das lässt sich nicht vorhersehen und im Einzelfall auch nicht garantieren. Auch bei der Sternentstehung könnte es sich so verhalten, wenn etwa die Methoden, die wir zu ihrem Verständnis neu entwickeln, in anderen Bereichen nutzbringend angewandt werden können. Das kann ich mir bei unserer Forschung recht gut vorstellen.

Linux-Magazin: Wenn man ständig mit Entfernungen, Zeiträumen und Kräften zu tun hat, die unsere menschliche Vorstellung übersteigen, macht das demütig? Führt man sich da vor Augen, dass wir als Menschen, ganz egal, was wir tun, nur einen Wimpernschlag lang einen Einfluß auf ein Sandkorn in der Wüste haben?

Volker Springel: Leider ist der Gewöhnungseffekt an die extremen astrophysikalischen Dimensionen relativ groß, sodass dieses Gefühl der Demut nicht verlässlich anhält. Aber oft empfinde ich schon Verwunderung darüber, dass so viele Menschen sich gar nicht klarmachen, wie unfassbar speziell die Bedingungen in der Biosphäre auf unserem Planeten sind und wie beschränkt die Möglichkeiten unserer Spezies angesichts der unfassbaren Weite unseres Kosmos tatsächlich sind.

Linux-Magazin: Wer das Wetter simuliert — oder sagen wir Verkehrsströme — der verfügt auch immer über reale Vergleichsdaten, mit denen er das Ergebnis der Simulation überprüfen kann. Deckt es sich mit Messungen, ist es plausibel. Wenn ich aber die Verhältnisse nach dem Urknall simuliere, dann scheint mir das anders zu sein: Das, was ich da berechne, ist nie beobachtet worden. Wie kann man da sicher sein, nicht nur an einer fiktiven Fantasiewelt zu rechnen? Und ist überhaupt bewiesen, dass diese Prozesse prinzipiell berechenbar sind?

Volker Springel: Richtig, auch wir müssen unsere Rechnungen an der Wirklichkeit überprüfen. Allerdings ist es keineswegs so, dass es keine entsprechenden Beobachtungen gibt. Es gibt sie, und zwar in bemerkenswerter Fülle. Astronomen nutzen das gesamte elektromagnetische Spektrum von Radiowellen bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlung, um das Universum zu beobachten.

Neuerdings sind sogar noch die Gravitationswellen hinzugekommen. Und wenn man weit entfernte Quellen beobachtet, dann sieht man wegen der Lichtlaufzeit zurück in die Vergangenheit, sodass man damit die Geschichte des Universums rekonstruieren kann.

Allerdings sind die Beobachtungsmöglichkeiten nicht immer vollständig. Dunkle Materie kann man zunächst einmal gar nicht sehen, hier gestaltet sich der direkte Vergleich mit unseren Simulationen etwas schwieriger. Oft lassen sich aber trotzdem bestimmte indirekte Signaturen in den Beobachtungen ausnutzen, wie im Falle der Dunklen Materie etwa Gravitations-Linseneffekte. Denn das Vorhandensein der Dunklen Materie kann Licht aufgrund ihrer Schwerkraft ablenken. Und die entsprechenden Effekte kann man beobachten und dann mit den Simulationen vergleichen.

Als Physiker nehme ich natürlich an, dass sich die Welt nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten verhält, die Wissenschaftler berechnen können, und dass das auch für das Universum als Ganzes gilt. Beweisen kann ich das nicht, aber die tägliche Erfahrung und unzählige Experimente sprechen dafür, dass es sich so verhält. Dass einfache, mathematisch formulierbare Gesetze die physikalische Welt bestimmen, ist eine überaus verblüffende Eigenschaft unseres Universums.

Linux-Magazin: Kann man mit Hilfe der Superrechner völlig neue Phänomene entdecken, die zuvor gänzlich unbekannt waren? Ist das schon passiert und wenn ja, gibt es dafür Beispiele?

Volker Springel: Es kommt nur sehr selten vor, dass jemand mit einer einzelnen Simulation etwas gänzlich Unerwartetes entdeckt. Im Grunde sind die Simulationen ja nur der Versuch, sehr komplizierte partielle Differentialgleichungssysteme näherungsweise zu lösen. Es kann dabei zum Beispiel nicht plötzlich eine neue Gleichung auftauchen, die man vorher nicht hineingesteckt hat.

Aber manchmal zeigen die berechneten Lösungen bestimmte Eigenschaften, die niemand vorher vermutet hatte. So haben wir zum Beispiel in unserer Millennium-Simulation im Jahr 2005 einen Effekt entdeckt, den die Wissenschaft heute “Assembly-Bias” nennt. Dieser beschreibt, dass die Geometrie der kosmischen Großraumstruktur einzelner Objekte gegebener Masse nicht nur von deren Masse, sondern auch von ihrem Entstehungszeitpunkt abhängt, etwas, das die gängige Theorie zu dieser Zeit nicht vorausgesagt hatte. Und wir hatten auch nicht erwartet, dass wir dieses Phänomen in unseren Simulationen sehen würden.

Linux-Magazin: Seit etlichen Jahren haben sich Astronomen publikumswirksam auf die Suche nach Exoplaneten begeben, um darunter wieder erdähnliche zu finden, auf denen möglicherweise ebenfalls Leben entstanden sein mag. Könnte man nicht auch einer Simulation entnehmen, wie viele solcher Planeten entstanden sein können? Vielleicht sogar ungefähr wo?

Volker Springel: Leider ist das mit unseren kosmologischen Simulationen noch nicht möglich, da Planeten schlicht viel zu klein sind. Wir haben schon Schwierigkeiten einzelne Sterne aufzulösen. Unsere simulierten Galaxien bestehen nämlich aus virtuellen Sternteilchen, von denen jedes für einen kleinen Sternhaufen aus Hunderten bis Tausenden Sternen steht.

Es ist aber denkbar, dass sich in der Zukunft einmal die Auflösung der Rechnungen zumindest lokal so weit verbessert, dass auch einzelne Sterne und ihre protoplanetaren Scheiben direkt darstellbar sind. Dann können wir auch voraussagen, wie häufig bestimmte Planetensysteme entstehen. Darüber gibt es bisher noch sehr wenige gesicherte theoretische Erkenntnisse. Allerdings zeigen die Beobachtungen von Exoplaneten ja schon jetzt, dass um Sterne in der Regel auch Planeten zu finden sind. Ob unser Sonnensystem dabei eine seltene Ausnahme ist, muss man noch herausfinden.