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Computersimulation: Das Universum in der Kiste

Das Programm "Bolshoi" simuliert das Weltall als Würfel mit einer Milliarde Lichtjahre Kantenlänge – viel kleiner als das echte. Dabei müssen acht Milliarden gedachte Massenpunkte jeweils 200 Millionen Sonnenmassen vertreten. Und doch kommt der Endzustand des nachgemachten Universums der heutigen Gestalt des echten überraschend nahe!
Das Programm "Bolshoi" simuliert das Weltall als Würfel mit einer Milliarde Lichtjahre Kantenlänge – viel kleiner als das echte. Und doch kommt der Endzustand des nachgemachten Universums der heutigen Gestalt des echten überraschend nahe.

Wie übersichtlich und aufgeräumt war das Universum noch zu den Zeiten von Isaac Newton (1643 – 1727)! Um die Sonne kreisen sechs Planeten und um diese eine Hand voll Monde, gelegentlich fliegt ein Komet vorbei, und im Hintergrund leuchten die Fixsterne. Newton selbst hat den entscheidenden Beitrag dazu geleistet, die Welt aufzuräumen: Er schuf die mathematischen Hilfsmittel, mit deren Hilfe sich die Bewegung jedes dieser Himmelskörper berechnen lässt.

Sind Position und Geschwindigkeit für alle Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt bekannt, dann ergibt sich aus Newtons universellem Gravitationsgesetz die Kraft, die auf jeden einzelnen von ihnen wirkt. Diese bestimmt ("Kraft ist Masse mal Beschleunigung") die Änderung seiner Geschwindigkeit; daraus wiederum lassen sich seine Geschwindigkeit und damit seine Position zu einem geringfügig späteren Zeitpunkt berechnen. Mit den so gewonnenen Werten kann man anschließend auf gleiche Weise den Systemzustand noch ein wenig später bestimmen, und so weiter. Dieses numerische Verfahren löst das so genannte n-Körper-Problem: Welche Bahnen durchlaufen n Körper unter dem Einfluss ihrer gegenseitigen Gravitationsanziehung?

Genau genommen gelten die Gleichungen für die Änderung des Orts und der Geschwindigkeit nur ungefähr für kleine Zeiträume und exakt erst im Grenzwert verschwindend kurzer Zeiten. Aber die schwierige Frage, was das genau bedeutet, hatte Newton vorab geklärt, indem er die Differenzial- und Integralrechnung erfand. Mit Hilfe dieser theoretischen Werkzeuge kann man den Fehler abschätzen, der durch die Verwendung endlicher Zeitschritte ("Diskretisierung") entsteht, und mit geeigneten Mitteln in Grenzen halten ...

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Sterne und Weltraum – Ursprung des Lebens

Ist unsere Erde der einzige Planet, der Leben hervorbrachte? Ist das Entstehen von Leben tatsächlich so selten und ist es nicht eine zwingende Konsequenz, sobald die Voraussetzungen dafür gegeben sind? Wir beleuchten die Entstehung des Lebens auf der Erde und ob sich dieser Vorgang anderswo im Weltraum wiederholen kann. Darüber hinaus informieren wir Sie über das Debakel um Boeings Starliner, das in einem unbemannten Rückflug von der ISS gipfelte. Sie erfahren von einem an der Gaia-Mission beteiligten Insider Details über das bevorstehende Ende der Mission und wir zeigen die erste hochaufgelöste Galaxienkarte des ESA-Teleskops Euclid. Weiter präsentieren wir Ihnen jede Menge astronomische Himmelsereignisse des Jahres 2025 und Sie erhalten den »Astro-Planer 2025«, mit dem Sie keines dieser Beobachtungs-Highlights verpassen.

Sterne und Weltraum – Gravitationswellen – Wie ist der Status bei gemessenen Signalen?

Gravitationswellendetektoren messen seit April 2024 wieder Signale von Schwarzen Löchern – in unserer Titelgeschichte erfahren Sie mehr über die neuen Erkenntnisse zu diesen rätselhaften Objekten. Darüber hinaus zeigen wir Ihnen die Technik der JANUS-Kamera auf der europäischen Raumsonde JUICE, die im Juli 2031 Jupiter und seine Monde detailliert erkunden soll. Wir berichten über die erfolgreiche Probennahme von der Mondrückseite mit der chinesischen Sonde Chang’e 6 und zeigen neue Aufnahmen des Weltraumteleskopes Euclid.

Spektrum der Wissenschaft – Vom Quant zur Materie

In den letzten Jahrzehnten haben sich Quantenfeldtheorien durchgesetzt, um grundlegende physikalische Phänomene unseres Universums zu erklären. Aber nicht alle physikalischen Effekte lassen sich damit erklären. Manche Erscheinungen lassen sich nicht stimmig in das Standardmodell der Teilchenphysik integrieren. Das reicht von subtilen Effekten wie der Tatsache, dass Neutrinos sich ineinander umwandeln bis hin zur auf großen Skalen wirkenden Schwerkraft. »Vom Quant zur Materie« stellt die subatomaren Spielregeln der Teilchenphysik vor und erklärt deren Bausteine. Wir berichten beispielsweise, wie sich Atome mit Lichtpulsen manipulieren lassen, ob es eine vierte Variante von Neutrinos gibt, und stellen kompakte Plasmabeschleuniger vor.

  • Quellen

Busha, M. T. et al.: Statistics of Satellite Galaxies around Milky way-Like Hosts. Preprint, 2010

Gottlöber, S., Klypin, A. A.: The ART of Cosmological Simulations. In: Wagner, S. et al. (Hg.): High Performance Computing in Science and Engineering. Springer, Berlin 2009, S. 29 – 44

Klypin, A.: Numerical Simulations in Cosmology. In: Bonometto, S. (Hg.): Modern Cosmology. Institute of Physics, Philadelphia 2002, S. 420 – 473

Klypin, A. A. et al.: Dark Matter Halos in the Standard Cosmological Model: Results from the Bolshoi Simulation. In: Astrophysical Journal 740, 102, 2011

Kravtsov, A. V. et al.: Adaptive Refinement Tree: A New High-Resolution n-Body Code for Cosmological Simulations. In: Astrophysical Journal Supplement 111, S. 73 – 94, 1997

Riebe, K. et al.: The MultiDark Database: Release of the Bolshoi and Multi-Dark Cosmological Simulations. Preprint, 2011

Behroozi, P. S. et al.: Gravitationally consistent halo catalogs and merger trees for precision cosmology. In: Astrophysical Journal, Preprint, 2011

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