E10 Computergestützte Kosmologie

Thema

Das zentrale Element dieses Modells ist die Vielteilchen-Kosmologiesimulation, die die Trajektorien einer enormen Anzahl von Dunkle-Materie-Teilchen unter dem Einfluss ihrer eigenen Gravitation verfolgt.

Um diese Simulation handhabbar zu gestalten, kombiniert sie zwei komplementäre Techniken, abhängig von der Reichweite der zu berechnenden Kraft: einen Baumalgorithmus, geeignet für kurzreichweitige Kräfte zwischen benachbarten Teilchen, und ein Netz, das die Gravitation mithilfe von Fourier-Techniken auflöst und sich für langreichweitige Kräfte eignet. Diese Kombination ermöglicht es der Simulation, sowohl nahe als auch ferne Wechselwirkungen ohne übermäßigen Rechenaufwand zu erfassen. Wird dieselbe Simulation hydrodynamisch, integriert sie neben der Dunklen Materie auch das kosmische Gas selbst mit seiner Strahlungskühlung, die durch diese Kühlung ermöglichte Sternentstehung und die Rückkopplung, die Supernovae und aktive Galaxienkerne in dieses Gas abgeben. Durch die Hinzunahme dieser physikalischen Prozesse beschreibt die Simulation nicht nur die Gravitation, sondern auch die damit verbundene baryonische Physik. Um die Statistik baryonischer akustischer Oszillationen präzise nachzubilden, muss diese kosmologische Simulation in Simulationsboxen mit einer Größe von etwa tausend Megaparsec durchgeführt werden, da kleinere Boxen diese charakteristische Skala nicht erfassen können. Die daraus resultierenden synthetischen Universen dienen wiederum der Kalibrierung der Beobachtungsmethoden und der Quantifizierung der Verzerrung, mit der sichtbare Galaxien die tatsächliche Materieverteilung unvollkommen abbilden. Von der Vielteilchen-Simulation, mit der dieses Dokument beginnt, bis hin zur letztendlich quantifizierten Verzerrung – einschließlich der Kombination von Algorithmen entsprechend der Reichweite der Kraft, der zusätzlichen Baryonenphysik und der durch die Baryonenstatistik bedingten minimalen Boxgröße – ermöglicht die kosmologische Simulation, ein auf Teilchen und Gleichungen reduziertes Universum zu erstellen, um die Interpretation von Beobachtungen des realen Universums zu kalibrieren.

ID:4112