„In der Astrophysik haben wir nur dieses eine Universum, das wir beobachten können“, sagt Mark Vogelsberger, Physikprofessor am MIT. „Mit einem Computer können wir verschiedene Universen erstellen, die wir überprüfen können.“
Trotz all ihrer brillanten Komplexität ist die Milchstraße für Galaxien eher unauffällig. So sieht das zumindest Mark Vogelsberger.
„Unsere Galaxie hat ein paar Merkmale, die ein wenig überraschend sein könnten, wie die genaue Anzahl von Strukturen und Satelliten um sie herum“, sinniert Vogelsberger. „Aber wenn man über viele Metriken mittelt, ist die Milchstraße eigentlich ein ziemlich normaler Ort.“
Er sollte es wissen. Vogelsberger, ein neu angestellter außerordentlicher Professor am Department of Physics des MIT, hat einen Großteil seiner Karriere damit verbracht, die Geburt und Entwicklung von Hunderttausenden von Galaxien nachzubilden, angefangen von den frühesten Momenten des Universums bis zum heutigen Tag. Durch die Nutzung der Leistung von Supercomputern auf der ganzen Welt hat er einige der präzisesten theoretischen Modelle der Galaxienentstehung mit faszinierenden Details erstellt.
MIT Associate Professor Mark Vogelsberger hat einen Großteil seiner Karriere damit verbracht, die Geburt und Entwicklung von Hunderttausenden von Galaxien nachzubilden, angefangen von den frühesten Momenten des Universums bis zum heutigen Tag. In dieser Hochformatdarstellung zeigt der Hintergrund die Topologie von Gasströmungen im Halo-Maßstab um ein einzelnes TNG50-System. Bildnachweis: Jose-Luis Olivares, MIT. Hintergrundabbildung mit freundlicher Genehmigung von IllustrisTNG Collaboration.
Seine Simulationen des Universums haben gezeigt, dass sich Galaxien zu einer Menagerie von Formen, Größen, Farben und Haufen entwickeln können, die eine deutliche Vielfalt in der Galaxienpopulation aufweisen, die mit dem übereinstimmt, was Astronomen im tatsächlichen Universum beobachtet haben. Wissenschaftler können die Simulationen als eine Art computergestützte Filmrolle verwenden, um das Band zurückzuspulen, um die physikalischen Prozesse, die der Galaxienbildung zugrunde liegen, sowie die Verteilung der Dunklen Materie im gesamten Universum im Detail zu untersuchen.
Am MIT verfeinert Vogelsberger seine Simulationen weiter, verschiebt sie weiter in die Vergangenheit und über größere Weiten des Universums, um sich ein Bild davon zu machen, wie frühe Galaxien ausgesehen haben könnten. Mit diesen Simulationen hilft er Astronomen zu bestimmen, welche Art von Strukturen Teleskope der nächsten Generation im frühen Universum tatsächlich sehen können.
Ein Universum
Vogelsberger wuchs in Hackenheim auf, einem kleinen Dorf mit etwa 2,000 Einwohnern in Westdeutschland, wo fast jede Nacht eine perfekte Nacht zum Sternengucken war.
„Es gab sehr wenig Lichtverschmutzung und es gab buchstäblich einen perfekten Himmel“, erinnert er sich.
Als er 10 Jahre alt war, schenkten Vogelsbergers Eltern ihm ein Kinderbuch mit Fakten über das Sonnensystem, das sein frühes Interesse an der Astronomie geweckt hat. Als Teenager richteten er und ein Freund ein provisorisches Astronomielabor ein und brachten sich selbst bei, Teleskope aufzustellen und verschiedene Instrumente zu bauen, von denen sie eines zur Messung des Magnetfelds verschiedener Sonnenregionen entwarfen.
Die deutschen Universitätsprogramme boten damals keine Astronomie-Abschlüsse an, also entschied er sich für ein Diplom in Informatik, ein Interesse, das er parallel zur Astronomie entwickelt hatte. Er schrieb sich für zwei Semester an der Technischen Hochschule Karlsruhe ein, entschied sich dann für ein allgemeines Physikdiplom, das er an der Universität Mainz abschloss.
Anschließend ging er an die Universität München, wo er lernte, Techniken der Informatik auf Fragen der Astronomie und Astrophysik anzuwenden. Seine Doktorarbeit dort und am Max-Planck-Institut für Astrophysik umfasste die Simulation der detaillierten Struktur der Dunklen Materie und ihrer Verteilung auf kleinen Skalen im Universum.
Die numerischen Simulationen, an deren Entwicklung er beteiligt war, zeigten, dass dunkle Materie auf kleinen Skalen, die mit der Größe der Erde vergleichbar sind, verklumpen und sich in „Strömen“ durch das Universum bewegen kann, was die Forscher durch ihre Simulationen erstmals quantifizieren konnten .
„Ich habe als Hobby immer gerne durch ein Teleskop geschaut, aber mit dem Computer Experimente mit dem ganzen Universum durchzuführen, war einfach eine sehr spannende Sache“, sagt Vogelsberger. „In der Astrophysik haben wir nur dieses eine Universum, das wir beobachten können. Mit einem Computer können wir verschiedene Universen erschaffen, die wir (mit Beobachtungen) überprüfen können. Das hat mich sehr gereizt.“
„Alles entwickelt sich“
Nach seiner Promotion in Physik ging Vogelsberger 2010 als Postdoc am Center for Astrophysics an die Harvard University. Dort richtete er seine Forschung auf sichtbare Materie und auf die Simulation der Entstehung von Galaxien durch das Universum aus.
Er verbrachte den größten Teil seiner Postdoc-Zeit damit, das zu bauen, was schließlich sein würde Illustris — eine hochdetaillierte und realistische Computersimulation der Galaxienentstehung. Die Simulation beginnt mit der Modellierung der Bedingungen des frühen Universums, etwa 400,000 Jahre nach dem Urknall. Von dort aus simuliert Illustris das sich ausdehnende Universum über seine 13.8 Milliarden Jahre dauernde Entwicklung und untersucht die Art und Weise, wie Gas und Materie gravitieren und kondensieren, um Sterne, Schwarze Löcher und Galaxien zu bilden.
„Wenn Sie eine dieser Simulationen von Anfang bis Ende auf einem Desktop-Computer ausführen würden, würde das ein paar tausend Jahre dauern“, sagt Vogelsberger. „Also mussten wir diese Arbeit auf Zehntausende von Computern aufteilen, um eine vernünftige Laufzeit von etwa sechs Monaten zu erreichen.“
Er und seine Kollegen führten die Simulationen auf Supercomputern in Frankreich, Deutschland und den Vereinigten Staaten durch, um die Entwicklung von Galaxien innerhalb eines Kubikvolumens des Universums mit einem Durchmesser von 350 Millionen Lichtjahren zu reproduzieren – die größte Simulation des Universums, die jemals zu dieser Zeit entwickelt wurde.
Die anfängliche Ausgabe von Illustris hatte die Form von Zahlen. Vogelsberger ging noch einen Schritt weiter, um diese Zahlen in visuelle Form zu bringen, und verdichtete die enorm komplexen Berechnungen zu kurzen, atemberaubenden Videos eines rotierenden Würfels des frühen expandierenden Universums, aus dem Samen wirbelnder Galaxien sprießen.
Vogelsberger und seine Kollegen veröffentlichte ein Papier in Natur im Jahr 2014, in dem die Ausgabe der Simulation zusammen mit ihren Visualisierungen detailliert beschrieben wird. Seitdem hat er unzählige Anfragen für die Simulationen von Wissenschaftlern, Medien und Planetarien erhalten, wo die Visualisierungen der Galaxienentstehung in hoher Auflösung auf Kuppeln projiziert wurden. Die Simulationen wurden sogar in Form eines Deutsche Postmarke.
2013 wechselte Vogelsberger an die Physikfakultät des MIT, wo er anfängliche Zweifel hatte, ob er mit der „Spitze der Spitze“ mithalten könne.
„Mir wurde sehr schnell klar, dass die Leute hohe Erwartungen haben, aber sie helfen einem auch dabei, das zu erreichen, was man erreichen muss, und die Abteilung ist auf allen Ebenen äußerst unterstützend“, sagt er.
Am MIT hat er Computersimulationen sowohl für die Galaxienbildung als auch für die Verteilung der Dunklen Materie weiter verfeinert. Kürzlich veröffentlichte seine Gruppe Abbildung TNG, eine größere und detailliertere Simulation der Galaxienentstehung. Sie arbeiten auch an einer neuen Simulation von Strahlungsfeldern im frühen Universum und erforschen verschiedene Modelle für Dunkle Materie.
„All diese Simulationen beginnen mit einem einheitlichen Universum – nichts als Helium, Wasserstoff und dunkle Materie“, sagt Vogelsberger. „Und wenn ich beobachte, wie sich alles so entwickelt, dass es unserem Universum ähnelt, frage ich mich, wie weit wir mit unserem Verständnis der Physik gekommen sind. Die Menschheit gibt es erst seit kurzer Zeit; Trotzdem konnten wir all diese Theorien und Technologien entwickeln, um so etwas tun zu können. Es ist ziemlich erstaunlich.“
