Schlagwort: Simulation

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Animation der Entwicklung von Galaxien

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

Wie entstand das heutige Universum aus einem so gleichmäßigen Beginn? Um das zu verstehen, berechnete die NASA mit Forschenden der Quantenkosmologie dieses Animationsvideo. Es läuft in Zeitraffer. Die Simulation zeigt einen Teil des Universums. Sie umfasst 100 Millionen Lichtjahre. Es beginnt etwa 20 Millionen Jahre nach dem Urknall und läuft bis in die Gegenwart.

Der Beginn läuft glatt. Dann verwandeln sich Klumpen aus Materie durch die Gravitation in Galaxien. Die Galaxien bewegen sich sofort aufeinander zu. Bald kondensieren viele davon zu langen Fasern. Andere verschmelzen zu einem großen, heißen Galaxienhaufen. Solche Simulationen untersuchen mögliche Eigenschaften des Universums. Das hilft bei der Entwicklung der Konstruktion des Weltraumteleskops James Webb. Sein Start ist derzeit für Ende 2018 geplant.

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Flug über Plutos Mond Charon


Videocredit: NASA, Johns Hopkins U. APL, SwRI, Stuart Robbins

Mit etwas dichterischer Freiheit gibt es nun wissenschaftliche Beweise, dass die Hölle zugefroren ist. Einerseits sagt die griechische Mythologie, dass Charon der Fährmann zur Unterwelt ist. Andererseits zeigt eine Auswertung der Daten der Roboter-Raumsonde New Horizons die Ursache einer riesigen Schlucht. Sie verläuft um den 1200 km großen Mond. Die Schlucht entstand, indem ein riesiger See im Inneren zufror.

Die Raumsonde New Horizons schoss im Juli an Charon vorbei. Er ist der größte Mond des Zwergplaneten Pluto. Über ihn erhielt Charon seinen Namen.

Wasser dehnt sich aus, wenn es friert. Daher brach die äußere Kruste auf, die bereits erhärtet war. Um den Bruch besser zu zeigen, erstellte man digital aus den gesammelten Bildern eine Fantasiereise über einen Teil von Charon. Das Video beginnt an der dunklen Ablagerung in der Nähe von Charons Nordpol. Sie wird Mordor genannt. Danach zeigt es die Schlucht um den ganzen Zwergplaneten. Am Ende sieht man im Video eine viel diskutierte Schwellung. Sie wird Grabenberg genannt.

Wenn man die Vergangenheit von Pluto und Charon erforscht, hilft uns das, freundliche und furchterregende Orte im frühen Sonnensystem, in dem die Erde entstand, auf der schließlich Leben aufkam, besser zu verstehen.

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Zwei Schwarze Löcher verschmelzen

Credit der Simulation: Projekt zur Simulation eXtremer Raumzeiten

Klicke auf den roten Pfeil und schau zu, wie zwei Schwarze Löcher verschmelzen. Die Videosimulation wurde vom ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen durch LIGO angeregt. Es läuft in Zeitlupe. In Echtzeit dauert es etwa eine Drittelsekunde.

Die Schwarzen Löcher tanzen auf einer kosmischen Bühne vor Sternen, Gas und Staub. Ihre enorme Gravitation bricht das Licht hinter ihnen in Einsteinringe. Dabei nähern sie sich einander auf Spiralbahnen. Am Ende verschmelzen sie zu einem einzigen Schwarzen Loch.

Bei der rasanten Verschmelzung der massereichen Objekte entstehen unsichtbare Gravitationswellen. Das führt dazu, dass sich das sichtbare Bild kräuselt. Noch nach der Verschmelzung der Schwarzen Löcher schwappen sie innen und außen über die Einsteinringe.

Die Gravitationswellen, die LiIGO aufgespürt hat, werden als GW150914 bezeichnet. Sie passen zur Verschmelzung Schwarzer Löcher mit 36 und 29 Sonnenmassen. Ihre Entfernung beträgt 1,3 Milliarden Lichtjahre. Das einzelne Schwarze Loch, das am Ende entsteht, besitzt 62 Sonnenmassen. Drei Sonnenmassen bleiben übrig. Diese drei Sonnenmassen wurden in Energie umgewandelt, die in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wurde.

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Illustris-Simulation des Universums

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

Wie sind wir hierher gekommen? Klickt auf den Pfeil, lehnt euch zurück und seht zu. Diese neue Computersimulation zeigt die Entstehung des Universums. Es ist die größte und anspruchsvollste Simulation, die je erstellt wurde. Sie liefert neue Erkenntnisse zur Bildung von Galaxien und bietet neue Perspektiven zum Platz der Menschheit im Universum.

Das Illustris-Projekt ist das bisher größte seiner Art. Es verbrauchte 20 Millionen CPU-Stunden. Dabei verfolgte es 12 Milliarden Auflösungselemente in einem Würfel mit einer Kantenlänge von 35 Millionen Lichtjahren. Die berechnete Entwicklungszeit umfasst 13 Milliarden Jahre. Die Simulation veranschaulicht erstmals, wie aus Materie eine große Vielfalt an Galaxientypen entsteht.

Während sich das virtuelle Universum entwickelt, kondensiert bald durch Gravitation ein Teil der Materie, die mit dem Universum expandiert. Das Material bildet Filamente, Galaxien und Galaxienhaufen.

Das Video zeigt die Perspektive einer virtuellen Kamera, die einen Teil des Universums umkreist, während sich dieses verändert. Zuerst zeigt sie die Entwicklung Dunkler Materie. Dann folgt Wasserstoff, der nach Temperatur codiert ist (0:45). Später sind schwere Elemente wie Helium und Kohlenstoff zu sehen (1:30). Schließlich kehrt die Kamera zu Dunkler Materie zurück (2:07).

Links unten ist die Zeit gelistet, die seit dem Urknall vergangen ist. Rechts unten ist die Art der gezeigten Materie zu lesen. Explosionen (0:50) zeigen Galaxienzentren mit sehr massereichen Schwarzen Löchern. Sie werfen Blasen aus heißem Gas aus. Es gibt interessante Unstimmigkeiten zwischen Illustris und dem realen Universum. Nun wird untersucht, warum die Simulation zum Beispiel ein Übermaß an alten Sternen erzeugt.

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Ein Schwarzes Loch in der Photonensphäre umkreisen

Bildcredit und Bildrechte: Robert Nemiroff (MTU)

Was würden wir sehen, wenn wir zu einem Schwarzen Loch kommen? Ein besonders interessanter Ort in der Nähe eines Schwarzen Loches ist seine Photonensphäre. Dort können Photonen es umkreisen. Dieser Bereich ist 50 Prozent weiter vom Innersten entfernt als der Ereignishorizont.

Wenn ihr von der Photonensphäre eines Schwarzen Loches nach außen blickt, wäre der halbe Himmel ganz schwarz. Die andere Hälfte wäre ungewöhnlich hell. Was sich hinter eurem Kopf befindet, wäre in der Mitte zu sehen.

Dieses computeranimierte Video zeigt diese Aussicht von der Photonensphäre aus. Die untere Region erscheint schwarz, weil alle Lichtstrahlen in dieser dunklen Region vom Schwarzen Loch ausgehen müssten. Das Schwarze Loch strahlt aber natürlich kein Licht ab. Die obere Hälfte des Himmels leuchtet dagegen ungewöhnlich hell und blau verschoben.

Zur Hell-dunkel-Teilung in der Mitte hin tauchen immer mehr vollständige Himmelsbilder auf. Diese Hell-Dunkel-Teilung ist die Photonensphäre. Dort befinden wir uns. Da hier Photonen kreisen können, kreist auch Licht von hinter dem Kopf um das Schwarze Loch und gelangt so ans Auge. Kein Ort am Himmel ist hier verborgen. Sterne, die hinter dem Schwarzen Loch vorbeiwandern, schwirren scheinbar schnell um einen Einsteinring herum. Der Einsteinring erscheint oben als waagrechte Linie. Er ist etwa ein Viertel der Bildhöhe vom oberen Rand des Videos entfernt.

Dieser Film ist Teil einer Videoserie, die den Raum in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches visuell erforscht.

(Hinweis: Der Urheber des Videos, Robert Nemiroff, ist einer der APOD-Herausgeber.)

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Um ein Schwarzes Loch kreisen

Bildcredit und Bildrechte: Robert Nemiroff (MTU)

Wie sieht es aus, wenn man um ein Schwarzes Loch kreist? Die starke Gravitation des Schwarzen Loches lenkt die Bahnen von Licht stark ab. Daher wäre die Umgebung sehr merkwürdig.

Erstens könnte man den ganzen Himmel sehen, weil sogar das Licht der Sterne hinter dem Schwarzen Loch zum Betrachter gelenkt würde. Außerdem wäre der Himmel in der Nähe des Schwarzen Lochs stark verzerrt. Dabei würden zum Schwarzen Loch hin immer mehr Bilder des gesamten Himmels sichtbar. Das visuell Auffälligste wäre aber, dass das äußerste Himmelsbild vollständig in einem leicht erkennbaren Kreis enthalten wäre, einem sogenannten Einsteinring.

Das oben gezeigte, wissenschaftlich korrekte Video wurde mit Computern erstellt. Es zeigt, was man sieht, wenn man ein Schwarzes Loch umkreist. Sterne, die fast genau hinter dem Schwarzen Loch vorbeiziehen, wandern sehr schnell um den Einsteinring herum. Sternbilder in der Nähe des Einsteinrings bewegen sich scheinbar schneller als Licht, doch kein Stern bewegt sich tatsächlich so schnell.

Dieses Video ist Teil einer Serie, die den Weltraum in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches visuell erforscht.

Hinweis: Der Urheber des Videos, Robert Nemiroff, ist einer der APOD-Herausgeber.

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Galaxienkollisionen: Simulation versus Beobachtungen

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

Was passiert, wenn zwei Galaxien kollidieren? Es dauert länger als eine Milliarde Jahre. Trotzdem sind solche Titanenkämpfe ziemlich häufig.

Galaxien bestehen hauptsächlich aus leerem Raum. Daher kollidieren meist nicht ihre Sterne. Stattdessen verzerrt oder zerstört die Schwerkraft einer Galaxie die andere Galaxie. Am Ende können die Galaxien verschmelzen und eine größere Galaxie bilden. Doch die ausgedehnten Gas- und Staubwolken in Galaxien kollidieren. Dabei lösen sie Wellen an Sternbildung aus. Diese dauern sogar während der Kollision an.

Das Video zeigt eine Computersimulation, bei der zwei große Spiralgalaxien kollidieren. Die Animation wird von Standbildern mit echten Galaxien unterbrochen. Diese Standbilder wurden mit dem Weltraumteleskop Hubble aufgenommen. Unsere Milchstraße hat in der Vergangenheit schon mehrere kleinere Galaxien aufgenommen. In einigen Milliarden Jahren soll sie sogar mit der größeren Andromedagalaxie verschmelzen. Die Andromedagalaxie ist unsere galaktische Nachbarin.

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Simulation: eine Scheibengalaxie entsteht

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

Wie entstehen Galaxien wie unsere Milchstraße? Da sich unser Universum für eine direkte Beobachtung der Galaxienentstehung zu langsam bewegt, wurden schnellere Computersimulationen entworfen, um das herauszufinden. Dieser Film zeigt (vorwiegend) Wasserstoff in Grün. Rechts unten läuft die Zeit in Milliarden Jahren seit dem Urknall. Dunkle Materie durchdringt alles und ist überall vorhanden, wird aber nicht gezeigt.

Zu Beginn der Simulation fällt Gas aus der Umgebung ein und sammelt sich in Regionen mit relativ hoher Gravitation. Bald entstehen zahlreiche Protogalaxien. Sie rotieren und beginnen zu verschmelzen. Nach etwa vier Milliarden Jahren entsteht ein klar definiertes Zentrum. Es bestimmt eine Region mit einem Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren und sieht nach und nach wie eine heutige Scheibengalaxie aus.

Doch nach ein paar weiteren Milliarden Jahren kollidiert diese frühe Galaxie mit einer anderen. Gasströme von anderen Galaxienverschmelzungen regnen auf diesen seltsamen, faszinierenden kosmischen Tanz herab. Als die Simulation das halbe Alter des heutigen Universums erreicht, entsteht eine einzelne, größere Scheibe. Selbst dann fallen noch Gasklumpen hinein. Manche davon sind kleine Begleitgalaxien. Sie fallen hinein und werden in der gegenwärtigen Epoche von der rotierenden Galaxie absorbiert. Damit endet der Film.

Für unsere Milchstraße sind die großen Verschmelzungen vielleicht noch nicht vorbei. Es gibt aktuelle Hinweise, dass unsere riesige Spiralgalaxienscheibe in wenigen Milliarden Jahren mit der etwas kleineren Andromeda-Spiralgalaxie kollidiert und verschmilzt.

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