Virtueller Vorbeiflug an der Strudelgalaxie


Videocredit: F. Summers, J. DePasquale und D. Player (STScI); Musik: Into the Wormhole (Jingle Punks via Youtube)

Beschreibung: Wie sieht es aus, wenn man über eine Spiralgalaxie fliegt? Um das zu visualisieren, berechneten Astronominnen und Trickfilmspezialisten am Space Telescope Science Institute aus Daten und Bildern vom Weltraumteleskop Hubble einen virtuellen Vorbeiflug an der Strudelgalaxie (M51). Die Strudelgalaxie ist nur 25 Millionen Lichtjahre entfernt und insgesamt 50.000 Lichtjahre groß. Sie ist eine der hellsten und malerischsten Galaxien am Himmel.

Beim virtuellen Vorbeiflug sind Spiralarme sichtbar, die von jungen blauen Sternen, älteren helleren Sternen, dunklen Staubbahnen und hellen roten Emissionsnebeln markiert sind. Viele weit entfernte Galaxien sind direkt durch M51 sichtbar. Die Visualisierung ist als Zeitraffer gedacht, weil sonst die Geschwindigkeit der virtuellen Kamera sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen müsste.

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Simulation TNG50: Ein Galaxienhaufen entsteht


Videocredit: IllustrisTNG-Projekt; Visualisierung: Dylan Nelson (Max Planck Institut für Astrophysik) et al. Musik: Symphonie No. 5 (Ludwig van Beethoven) via YouTube Audio Library

Beschreibung: Wie entstehen Galaxienhaufen? Da sich unser Universum zu langsam bewegt, um es zu beobachten, werden schneller bewegte Computersimulationen erstellt, um das herauszufinden. Ein neuer Versuch ist TNG50 von IllustrisTNG, eine verbesserte Version der berühmten Illustris-Simulation.

Der erste Teil dieses Videos zeigt die Spuren kosmischen Gases (großteils Wasserstoff), das sich vom frühen Universum bis heute zu Galaxien und Galaxienhaufen entwickelt, wobei hellere Farben schneller bewegtes Gas markieren. Während das Universum heranreift, fällt Gas in Gravitationssenken, Galaxien entstehen, Galaxien rotieren, Galaxien kollidieren und verschmelzen, und die ganze Zeit über entstehen Schwarze Löcher in Galaxienzentren und stoßen umgebendes Gas mit hoher Geschwindigkeit aus.

Die zweite Hälfte des Videos folgt der Spur von Sternen und zeigt, wie ein Galaxienhaufen mit Gezeitenschweifen und Sternströmen zustande kommt. Der Ausfluss von Schwarzen Löchern ist in TNG50 überraschend komplex, und die Details werden mit unserem realen Universum verglichen. Zu untersuchen, wie Gas im frühen Universum verschmolz, hilft der Menschheit besser zu verstehen, wie Erde, Sonne und Sonnensystem ursprünglich entstanden sind.

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Galaxienentstehung in einem magnetischen Universum


Bildcredit: IllustrisTNG Projekt; Visualisierung: Mark Vogelsberger (MIT) et al. Musik: Gymnopedie 3 (Komponist: Erik Satie, Musiker: Wahneta Meixsell)

Beschreibung: Wie sind wir hierher gekommen? Wir wissen, dass wir auf einem Planeten leben, der einen Stern umkreist, welcher um eine Galaxie kreist, aber wie ist das alles entstanden?

Um die Details besser zu verstehen, verbesserten Astrophysiker die berühmte IllustrisSimulation zu IllustrisTNG – diese ist nun das komplexeste Computermodell der Entwicklung von Galaxien in unserem Universum. Dieses Video zeigt die Magnetfelder vom frühen Universum (Rotverschiebung 5) bis heute (Rotverschiebung 0). Relativ schwache Magnetfelder sind blau abgebildet, starke sind weiß dargestellt. Diese B-Felder passen sehr gut zu Galaxien und Galaxienhaufen.

Am Beginn der Simulation umkreist eine virtuelle Kamera das virtuelle IllustrisTNG-Universum und zeigt eine 30 Millionen Lichtjahre große junge Region, die ziemlich fadenförmig ist. Durch die Schwerkraft entstehen viele Galaxien und verschmelzen, während sich das Universum ausdehnt und entwickelt. Am Ende stimmt das simulierte IllustrisTNG-Universum statistisch gesehen gut mit unserem gegenwärtigen wirklichen Universum überein, obwohl es einige interessante Unterschiede gibt – zum Beispiel eine Abweichung bei der Energie von Radiowellen, die von schnell bewegten geladenen Teilchen abgestrahlt wird.

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Eine immersive Visualisierung des galaktischen Zentrums


Videocredit: NASA, CXC, Pontifical Catholic Univ. of Chile, C. Russell et al.

Beschreibung: Was würde man sehen, wenn man vom Zentrum unserer Galaxis hinausblicken könnte? Dieses Video zeigt zwei wissenschaftlich ermittelte Möglichkeiten als immersives 360-Grad-Video, bei dem man in jede Richtung blicken kann. Diese Computersimulation basiert auf Infrarotdaten des Very Large Telescope der ESO in Chile sowie Röntgendaten des NASARöntgenobservatoriums Chandra im Orbit.

Zu Beginn des Videos erreichen Sie rasch Sgr A*, das sehr massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxis. Wenn Sie dann nach außen blicken, zeigt diese 500-Jahre-Zeitraffersimulation leuchtendes Gas und viele Lichtpunkte, die um Sie kreisen. Viele dieser Punkte sind junge Wolf-Rayet-Sterne, aus denen sichtbare heiße Winde in die umgebenden Nebel wehen. Näherkommende Wolken werden länglich, während Objekte, die sich zu sehr annähern, hineinfallen. Gegen Ende des Videos wiederholt sich die Simulation, doch diesmal stößt die dynamische Region um Sgr A* heißes Gas aus, das die näherkommende Materie zurückstößt.

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Wirbelsturmsaison – animiert


Videocredit: M. R. Radcliff (USRA) et al., NASAGSFC, SVS; Musik: Elapsing Time von C. Telford und R. A. Navarro (ASCAP)

Beschreibung: Wohin wandern Wirbelstürme? Um gefährliche Stürme besser zu verstehen, kombinierte die NASA die Daten mehrerer Satelliten zu dieser Supercomputersimulation der Wirbelsturmsaison des letzten Jahres.

In diesem Video wurden Rauch (weiß), Meersalz (blau) und Staub (braun) von August bis Oktober 2017 auf der Nordhälfte der westlichen Erdhalbkugel aufgezeichnet. Diese Aerosole machen mitunter unsichtbare Winde sichtbar. Inmitten der vielen faszinierenden Strömungen wirbeln rechts Orkane über den Atlantik. Einige dieser Wirbelstürme peitschten Inseln und Küstenregionen in Nordamerika, ehe sie sich im Nordatlantik verflüchtigten.

Die Analyse der Wettermuster dieses Jahres könnte schon nächstes Jahr genauere Unwettervorhersagen liefern.

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Dunkle Materie in einem simulierten Universum

Siehe Erklärung. Ein Klick auf das Bild lädt die höchstaufgelöste verfügbare Version.

Illustrationscredit und Bildrechte: Tom Abel und Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH

Beschreibung: Spukt es in unserem Universum?

Auf dieser Karte der Dunklen Materie sieht es fast so aus. Die Gravitation unsichtbarer Dunkler Materie ist die beste Erklärung dafür, warum Galaxien so schnell rotieren, warum Galaxien so schnell um Haufen kreisen, warum Gravitationslinsen Licht so stark ablenken und warum sichtbare Materie so verteilt ist, wie sie ist – sowohl im lokalen Universum als auch im kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Dieses Bild aus der Weltraumschau „Das dunkle Universum“ des Hayden-Planetariums im American Museum of Natural History zeigt, wie die allgegenwärtige Dunkle Materie in unserem Universum spuken könnte. Auf diesem Bild aus einer detailreichen Computersimulation sind schwarz dargestellte, komplexe Fasern aus alles durchdringender Dunkler Materie wie Spinnennetze im Universum verteilt. Die relativ raren Klumpen aus vertrauter baryonischer Materie sind orange gefärbt.

Diese Simulationen stimmen statistisch gesehen gut mit astronomischen Beobachtungen überein. Etwas unheimlicher ist, dass Dunkle Materie – obwohl sie ziemlich seltsam ist und einer unbekannte Form hat – nicht mehr die seltsamste vermutete Quelle der Gravitation im Universum ist. Diese Ehre fällt nun der Dunklen Energie zu, einer homogeneren Quelle abstoßender Gravitation, welche die Ausdehnung des ganzen Universums zu bestimmen scheint.

Nicht nur Halloween: Heute ist Tag der Dunklen Materie
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Animation der Galaxienentwicklung


Videocredit: Donna Cox (AVL NCSA/U. Illinois) et al, GSFC der NASA, AVL, NCSA

Beschreibung: Wie entwickelte sich das Universum aus einem so gleichmäßigen Beginn? Um das zu verstehen, erstellten Quantenkosmologen und die NASA rechnerisch dieses Zeitraffer-Animationsvideo – eine Computersimulation von einem Teil des Universums. Die Simulation von 100 Millionen Lichtjahren beginnt etwa 20 Millionen Jahre nach dem Urknall und läuft bis in die Gegenwart. Nach einem glatten Beginn verwandeln sich Materieklumpen durch die Gravitation in Galaxien, die sofort anfangen, sich zueinander zu bewegen. Bald kondensieren viele von ihnen zu langen Fasern, während andere gewaltsam zu einem großen, heißen Galaxienhaufen verschmelzen. Die Untersuchung möglicher Eigenschaften des Universums durch Simulationen wie diese hilft bei der Konstruktionsentwicklung des James-Webb-Weltraumteleskops, dessen Start derzeit für Ende 2018 geplant ist.

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Illustris-Simulation des Universums


Videocredit: Illustris Collaboration, NASA, PRACE, XSEDE, MIT, Harvard CfA; Musik: The Poisoned Princess (Media Right Productions)

Beschreibung: Wie sind wir hierher gekommen? Klicken Sie auf den Pfeil, lehnen Sie sich zurück und sehen Sie zu. Eine neue Computersimulation der Entstehung des Universums – die größte und anspruchsvollste, die je erstellt wurde – bietet einen neuen Einblick in die Entstehung von Galaxien und relativiert den Sitz der Menschheit im Universum. Das Illustris-Projekt – das bisher größte seiner Art – verbrauchte 20 Millionen CPU-Stunden und folgt 12 Milliarden Rasterelementen, wobei ein Würfel mit einer Kantenlänge von 35 Millionen Lichtjahren aufgespannt wird, während es sich mehr als 13 Milliarden Jahre lang entwickelte. Die Simulation ist die erste, die nachvollzieht, wie Materie eine große Vielfalt an Galaxientypen bildet. Während sich das virtuelle Universum entwickelt, kondensiert bald darauf ein Teil der mit dem Universum expandierenden Materie durch Gravitation und bildet Filamente, Galaxien und Galaxienhaufen. Das obige Video nimmt die Perspektive einer virtuellen Kamera ein, die einen Teil dieses sich verändernden Universums umkreist, und zeigt zuerst die Entwicklung Dunkler Materie, dann des Wasserstoffs, nach Temperatur codiert (0:45), danach schwere Elemente wie Helium und Kohlenstoff (1:30), dann wieder zurück zu Dunkler Materie (2:07). Unten links ist die Zeit gelistet, die seit dem Urknall vergangen ist, während rechts unten die Art der gezeigten Materie angeführt wird. Explosionen (0:50) zeigen Galaxienzentren mit sehr massereichen Schwarzen Löchern, die Blasen aus heißem Gas auswerfen. Es gibt interessante Unstimmigkeiten zwischen Illustris und dem realen Universum, die untersucht werden, etwa warum die Simulation ein Übermaß an alten Sternen erzeugt.

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Galaxienkollisionen: Simulation versus Beobachtungen


Bildcredits: NASA, ESA; Visualisierung: Frank Summers (STScI); Simulation: Chris Mihos (CWRU) und Lars Hernquist (Harvard).

Beschreibung: Was geschieht, wenn zwei Galaxien kollidieren? Obwohl es länger als eine Milliarde Jahre dauert, sind solche Titanenkämpfe ziemlich häufig zu beobachten. Da Galaxien hauptsächlich aus leerem Raum bestehen, kollidieren wahrscheinlich nicht die Sterne selbst. Eher verzerrt oder zerstört die Gravitation jeder Galaxie die andere Galaxie, und die Galaxien können schlussendlich verschmelzen, um eine einzelne größere Galaxie zu bilden. Ausgedehnte Gas- und Staubwolken kollidieren und lösen Sternbildungswellen aus, die sogar während des Wechselwirkungsprozesses weiterlaufen. Oben ist eine Computersimulation zweier kollidierender großer Spiralgalaxien zu sehen, unterbrochen von echten Stand bildern, die mit dem Weltraumteleskop Hubble aufgenommen wurden. Unsere eigene Galaxis, die Milchstraße, hat in ihrer Geschichte bereits mehrere kleinere Galaxien absorbiert und soll sogar in wenigen Milliarden Jahren mit der größeren benachbarten Andromedagalaxie verschmelzen.

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Simulation: eine Scheibengalaxie entsteht


Videocredit: Fabio Governato et al. (U. Washington), N-Body Shop, NASA Advanced Supercomputing

Beschreibung: Wie entstehen Galaxien wie unsere Milchstraße? Da sich unser Universum für eine direkte Beobachtung dessen zu langsam bewegt, wurden schnellere Computersimulationen entworfen, um das herauszufinden. Grün zeigt im obigen Film (vorwiegend) Wasserstoffgas, während rechts unten die Zeit in Milliarden Jahren seit dem Urknall dargestellt wird. Die alles durchdringende Dunkle Materie ist vorhanden, wird aber nicht gezeigt. Zu Beginn der Simulation fällt das Gas aus der Umgebung ein und sammelt sich in Regionen mit relativ hoher Gravitation an. Bald bilden sich zahlreiche Protogalaxien, rotieren und fangen an zu verschmelzen. Nach etwa vier Milliarden Jahren entsteht ein klar definiertes Zentrum, das eine Region mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren dominiert und beginnt, wie eine heutige Scheibengalaxie auszusehen. Nach ein paar weiteren Milliarden Jahren jedoch kollidiert diese frühe Galaxie mit einer anderen, während Gasströme von anderen Galaxienverschmelzungen auf diesen seltsamen, faszinierenden kosmischen Tanz herabregnen. Während die Simulation das halbe derzeitige Alter des Universums erreicht, entwickelt sich eine einzelne, größere Scheibe. Selbst dann noch fallen Gasklumpen hinein – manche davon stellen kleine Begleitgalaxien dar; sie fallen hinein und werden von der rotierenden Galaxie absorbiert, wenn die gegenwärtige Epoche erreicht ist und der Film endet. Für unsere Galaxis, die Milchstraße, könnten jedoch die großen Verschmelzungen noch nicht vorüber sein – aktuelle Hinweise lassen den Schluss zu, dass unsere riesige Spiralgalaxienscheibe kollidieren und in wenigen Milliarden Jahren mit der etwas kleineren Andromeda-Spiralgalaxienscheibe verschmelzen wird.

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Film mit Dunkler Materie aus der Bolshoi-Simulation


Video-Credit: A. Klypin (NMSU), J. Primack (UCSC) et al., Chris Henze (NASA Ames), NASA’s Pleiades Supercomputer; Musik (© 2002): Her Knees Deep in Your Mind von Ray Lynch

Beschreibung: Was wäre, wenn Sie durch das Universum fliegen und die Dunkle Materie sehen könnten? Während an der Technologie für einen solchen Flug noch gearbeitet wird, hat die Technik zur Visualisierung solch eines Flugs mit dem Abschluss der der Bolshoi-Kosmologie-Simulation einen großen Schritt vorwärts gemacht. Nach 6 Millionen CPU-Stunden warf der siebtschnellste Supercomputer der Welt viele wissenschaftliche Neuheiten aus, darunter die obige Flugsimulation. Ausgehend von der relativ gleichmäßigen Verteilung der Dunklen Materie im frühen Universum, die anhand des Mikrowellenhintergrundes und anderer großer Himmelsdatensätze feststellbar ist, folgte die Bolshoi-Simulation anhand des kosmologischen Standardmodells der Entwicklung des Universums bis zur oben gezeigten gegenwärtigen Epoche. Die hellen Punkte im obigen Video sind allesamt Knoten aus normalerweise unsichtbarer Dunkler Materie, von denen viele normale Galaxien enthalten. Lange Fasern und Galaxienhaufen, die gravitativ von Dunkler Materie beherrscht werden, werden treten hervor. Statistische Vergleiche zwischen Bolshoi und Himmelskarten aktueller Galaxien weisen eine gute Übereinstimmung auf. Obwohl die Bolshoi-Simulation das Vorhandensein Dunkler Materie stützt, bleiben viele Fragen zu unserem Universum offen, etwa die Zusammensetzung Dunkler Materie, die Natur der Dunklen Energie und wie sich die ersten Sterngenerationen und Galaxien gebildet haben.

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