Lumina: Wie 100.000 Kerne und 15.000 GPUs des Frontier-Supercomputers die ersten zwei Milliarden Jahre des Universums nachbildeten

Der überwiegende Teil dessen, was wir in wissenschaftlichen Publikationen unter den Begriffen „Exoplanet“, „Nebel“ oder „Galaxie“ sehen, ist das Ergebnis von Modellierung und Interpretation und keine direkte fotografische Aufnahme. Das Aussehen kosmischer Objekte entsteht auf Supercomputern, wo physikalische Gleichungen in Pixel verwandelt werden. Genau deshalb bleibt die Erstellung neuer, präziserer Modelle — insbesondere für Epochen des frühen Universums, für deren Beobachtung der modernen Astronomie praktisch keine direkten Instrumente zur Verfügung stehen — eine der Hauptaufgaben der theoretischen Kosmologie. In diesem Kontext erhält die Arbeit von Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und ihrer Kollegen von anderen Institutionen eine besondere Bedeutung: Die von ihnen vorgestellte Lumina-Simulation bildet die ersten zwei Milliarden Jahre der Evolution des Universums mit einer für diese Klasse von Aufgaben beispiellosen Auflösung und Größe nach.

Was ist Lumina und wozu wird sie benötigt

Lumina ist eine groß angelegte Computersimulation, die nachvollziehen soll, wie sich aus den anfänglichen Inhomogenitäten der Materieverteilung die ersten Sterne und Galaxien bildeten und wie sich der Zustand des intergalaktischen Gases unter dem Einfluss von Strahlung veränderte. Das Projekt zielt darauf ab, die Prozesse zu untersuchen, die das Universum aus der sogenannten Epoche des kosmischen „Dunklen Zeitalters“ herausführten. Mit der Bildung der ersten Sterne verschob sich die kosmische Hintergrundstrahlung, die zuvor als Hauptinformationsquelle über das frühe Universum gedient hatte, in den Mikrowellenbereich und verlor an Energie, wodurch sie ihre Rolle als „Taschenlampe“ für Beobachter einbüßte. Lumina schließt diese Informationslücke, indem sie den Übergang von der dunklen Ära zur Epoche der ersten Himmelskörper modelliert.

Rechenkapazitäten: 100.000 Kerne und 15.000 GPUs

Die Berechnungen wurden auf dem Frontier-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den USA durchgeführt. Bei Spitzenlasten beanspruchte die Berechnung über 100.000 Prozessorkerne und rund 15.000 Grafikprozessoren. Die Simulation umfasste einen kubischen Raumabschnitt mit einer Kantenlänge von ca. 1,63 Milliarden Lichtjahren. Das Modell enthält etwa 432 Milliarden Elemente, die dunkle Materie und Gas darstellen. Nach Angaben der Autoren übertrifft der Maßstab des simulierten Volumens vorherige Simulationen für vergleichbare Studien um das etwa Hundertfache. Eine im Rahmen des Projekts veröffentlichte Visualisierung des kosmischen Netzes zeigt die Struktur in einem 650 Millionen Lichtjahre breiten Bereich.

Die Physik des frühen Universums in einem einheitlichen Modell

Der Kern von Lumina ist das verbesserte Softwaresystem IllustrisTNG, ergänzt durch ein Modul zur Simulation des Strahlungstransports. Dies ermöglicht es, die gravitative Bildung großräumiger Strukturen, die Materiebewegung, die Sternentstehung und die Ionisation des intergalaktischen Mediums gleichzeitig zu berechnen. Besonderes Augenmerk legt das Modell auf zwei entscheidende Phasen der kosmischen Geschichte: die Reionisation von Wasserstoff unter dem Einfluss der Strahlung junger Sterne und Galaxien sowie die anschließende Helium-Ionisation, bei der aktive supermassereiche schwarze Löcher eine wesentliche Rolle spielten. Die Autoren betonen, dass Lumina es ermöglicht, diese Prozesse in einem einzigen Modell zu untersuchen, das sowohl die großräumige Struktur des Universums als auch einzelne sich bildende Galaxien umfasst.

Verbindung zu Beobachtungen: James Webb und Roman

Die Simulationsergebnisse können mit Daten des James-Webb-Weltraumteleskops und des zukünftigen Roman-Teleskops abgeglichen werden, wodurch Modelle zur frühen Sternentstehung und Galaxienevolution anhand von Beobachtungsdaten überprüft werden können. Dieser Ansatz macht Lumina von einem abstrakten Rechenexperiment zu einem Werkzeug, das direkt mit aktuellen und zukünftigen astronomischen Beobachtungsprogrammen verknüpft ist.

Einschränkungen und Open Access

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Simulation keine direkte Rekonstruktion der Vergangenheit darstellt: Sie berechnet die wahrscheinliche Evolution kosmischer Strukturen auf der Grundlage physikalischer Modelle und vorgegebener Anfangsbedingungen. Dennoch merken die Autoren an, dass das Modell ab 2028 der wissenschaftlichen Gemeinschaft vollständig frei zugänglich gemacht werden soll, was Forschern weltweit ermöglichen wird, Lumina zur Überprüfung eigener Hypothesen und zur Verfeinerung der Parameter des frühen Universums zu nutzen.