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Illustris-Projekt

astrophysikalische Simulationsreihe

Das Illustris-Projekt ist eine der weltweit größten kontinuierlichen astrophysikalische Simulationsreihen, die ein Team international kooperierender Wissenschaftler seit 2011 durchführt.[1] Ziel ist es, die Prozesse der Entstehung und Entwicklung der Galaxis im Universum anhand eines umfassenden physikalischen Modells zu erforschen. Erste Ergebnisberichte wurden in Fach- und allgemeiner Presse im Jahr 2014 veröffentlicht[2][3][4][5][6] und die Simulationsergebnisse wurden im April 2015 veröffentlicht. Im Jahr 2018 hat das Illustris-Team ein Update der Illustris-Simulation namens IllustrisTNG (Illustris The Next Generation[7]) veröffentlicht.[8][9] Hauptverantwortliche Entwickler des Illustris- und IllustrisTNG-Projekts sind die Astrophysiker Volker Springel (Max-Planck-Institut für Astrophysik) und Mark Vogelsberger (Massachusetts Institute of Technology). Das Illustris Simulations-Framework und das Model zur Galaxienenstehung wurden für zahlreiche Spin-Off Projekte verwendet: Auriga (2017),[10] IllustrisTNG (2017),[11] Thesan (2021),[12] MillenniumTNG (2022),[13] und TNG-Cluster (2023).[14]

Deutsche Post Sonderbriefmarke zu Ehren des Illustris-Projekts
Galaxien der Illustris Simulation

Überblick

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Die ursprüngliche Idee des Illustris-Projekts stammt von Mark Vogelsberger, der das eigentliche Galaxienentstehungsmodell mit anderen Wissenschaftlern über mehrere Jahre hinweg entwickelt hat.[15] Dieses Modell ist auch die Grundlage der IllustrisTNG Simulationen.

Das Illustris-Projekt umfasst großangelegte kosmologische Simulationen zur Entwicklung des Universums beginnend von den Anfangsbedingungen des Urknalls bis heute, 13,8 Milliarden Jahre später. Das physikalische Modell beruht dabei auf genauesten derzeit verfügbaren Daten und Berechnungen. Durch den Vergleich der Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Beobachtungen des Universums will man dessen Natur besser verstehen, einschließlich der Entstehung von Galaxien, Dunkler Materie und Dunkler Energie.[5][6]

 
IllustrisTNG Simulation – Nachfolgeprojekt von Illustris basierend auf Updates des Illustris Modells

Bei der Simulation handelt es sich um eine hydrodynamische Simulation der Dunklen Materie und des Gases im Universum. Da bei solchen Simulationen nur der großskalige Fluss von Materie simuliert wird, müssen kleinskalige, lokale astrophysikalische Ereignisse mit globaler Auswirkung künstlich eingebaut werden, indem man die separat untersuchten Auswirkungen auf ihr Umfeld in die Daten einpflegt. Beim Simulieren des Illustris-Projekts wurden auf diese Weise unter anderem die Auswirkung von Abkühlung und Photoionisation des Gases, Sternentstehung, Sternenwinde, Supernova-Explosionen und sowohl stellare Schwarze Löcher als auch supermassereiche Schwarze Löcher berücksichtigt.[1][4]

Die Deutsche Post hat zu Ehren des Illustris Projekts eine Sondermarke im Dezember 2018 veröffentlicht.[16] Illustris ist damit die erste physikalische Computersimulation weltweit, welche eine eigene Briefmarke erhielt.

2018 hat das Illustris-Team um Volker Springel und Mark Vogelsberger die IllustrisTNG[17] Simulationen vorgestellt. Diese stellen ein Update von Illustris dar und basieren auf dem ursprünglichen von Mark Vogelsberger entwickelten Model mit einigen zusätzlichen Verbesserungen.[18] IllustrisTNG stellt aktuell das umfangreichste und genaueste Computermodell unseres Universums dar.

Berechnung

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Die bedeutendste Illustris-Simulation lief auf dem Curie-Supercomputer des Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) in Frankreich und dem SuperMUC am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in Garching bei München, Deutschland.[1][19] Dafür war ein Lauf von 19 Millionen Computerstunden notwendig, es wurden 8.192 Computerkerne verwendet.[1] Die maximale Speicherauslastung betrug etwa 25 TB RAM und insgesamt wurden 136 Simulations-Snapshots von insgesamt mehr als 230 TB Datenvolumen gespeichert.[2]

Die IllustrisTNG Simulationen, TNG50, TNG100 und TNG300 wurden am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart auf dem Hazel Hen Supercomputer gerechnet.[20] Insgesamt haben diese Simulationen fast 200 Millionen CPU-Stunden benötigt, und gehören damit zu den größten jemals durchgeführten Computersimulationen. Fast 25.000 Prozessoren haben fast 2 Jahre durchgehend an der Simulation gerechnet. Die IllustrisTNG Simulationen haben insgesamt mehr als 1 PB an Daten erzeugt. Diese sind auf verschiedenen Großrechnern in Europa und den USA gesichert.

Um die Illustris- und IllustrisTNG-Simulationen auszuführen, wurde das Computerprogramm „Arepo“ verwendet, das Volker Springel, der auch den Gadget-Code geschrieben hat, entworfen hat. Die Bezeichnung ist vom Sator-Quadrat abgeleitet. Dieser Code löst gekoppelte Gleichungen zur Gravitation und Hydrodynamik mittels Diskretisierung des Raums basierend auf einem sich bewegenden Voronoi-Diagramm. Um die Gravitation effizient zu berechnen, wird wie bei derartigen Codes üblich eine Octree-Baumstruktur verwendet.[1] Der Code ist für den Betrieb auf mehreren großen Supercomputern mit Message Passing Interface ausgestattet. Der Arepo-Code wurde für die Illustris- und IllustrisTNG-Simulation um ein sehr umfangreiches von Mark Vogelsberger entwickeltes Galaxienentstehungsmodell erweitert.[21] Dieses modelliert Prozesse wie beispielsweise Sternentstehungen, schwarze Löcher und Supernovae.

Veröffentlichung

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Im April 2015, elf Monate nach den ersten wissenschaftlichen Publikationen, veröffentlichte das Projektteam die Daten aller Simulationen.[22] Sie können von einer dafür eingerichteten Webseite heruntergeladen werden. Dazu zählen Gruppenkataloge einzelner Halos und Subhalos, Snapshots von Daten zu 135 bestimmten Zeitpunkten und diverse ergänzende Datenkataloge. Zusätzlich zum direkten Datendownload wurde eine webbasierte Programmierschnittstelle eingerichtet, um Zugang zur Suche und Extraktion vollständiger Datensätze zu gewähren. Im Dezember 2018 wurden auch die IllustrisTNG-Daten (TNG100, TNG300) veröffentlicht.[23] Das Modell zur Datenveröffentlichen folgt dabei exakt dem Illustris-Ansatz. Allerdings sind die Datenmengen deutlich größer.

Die Illustris und IllustrisTNG Simulationen stießen auch in der Öffentlichkeit auf sehr großes Interesse aufgrund von Veröffentlichungen in Zeitungen, Fernsehsendungen und Internetportalen. Verschiedenste YouTube-Videos wurden mehrere Millionen Male angesehen.[24] Damit haben derzeit aktuell mehr als eine Milliarde Menschen verschiedene Aspekte der Illustris Simulationen gesehen. Damit stellt das Illustris-Projekt das derzeit bekannteste Simulationsprojekt weltweit dar.

Siehe auch

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Einzelnachweise

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  1. ↑ a b c d e Looking for some details accessible to a general non-scientist? Or want to jump straight into a description designed for an astrophysicist? Illustris Collaboration, abgerufen am 28. Februar 2015.
  2. ↑ a b Mark Vogelsberger et al.: Introducing the Illustris Project. Simulating the coevolution of dark and visible matter in the Universe. In: Monthly notices of the Royal Astronomical Society. Band 444, Nr. 2, 2014, ISSN 0035-8711, S. 1518–1547.
  3. ↑ Shy Genel et al.: Introducing the Illustris project. The evolution of galaxy populations across cosmic time. In: Monthly notices of the Royal Astronomical Society. Band 445, Nr. 1, 2014, ISSN 0035-8711, S. 175–200.
  4. ↑ a b Mark Vogelsberger et al.: Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation. In: Nature. Band 509, 2014, ISSN 0028-0836, S. 177–182.
  5. ↑ a b Astronomers Create First Realistic Virtual Universe. Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, 7. Mai 2014, abgerufen am 28. Februar 2015.
  6. ↑ a b Stalking the Shadow Universe. The New York Times, 16. Juli 2014, abgerufen am 28. Februar 2015.
  7. ↑ IllustrisTNG - Project Description. Abgerufen am 15. Mai 2019.
  8. ↑ Volker Springel, Rüdiger Pakmor, Annalisa Pillepich, Rainer Weinberger, Dylan Nelson: First results from the IllustrisTNG simulations: matter and galaxy clustering. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 475, Nr. 1, 22. Dezember 2017, ISSN 0035-8711, S. 676–698, doi:10.1093/mnras/stx3304 (oup.com [abgerufen am 22. November 2018]).
  9. ↑ Mark Vogelsberger, Federico Marinacci, Paul Torrey, Shy Genel, Volker Springel: The uniformity and time-invariance of the intra-cluster metal distribution in galaxy clusters from the IllustrisTNG simulations. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 474, Nr. 2, 17. November 2017, ISSN 0035-8711, S. 2073–2093, doi:10.1093/mnras/stx2955 (oup.com [abgerufen am 22. November 2018]).
  10. ↑ Welcome to the Auriga Project homepage!, auf wwwmpa.mpa-garching.mpg.de
  11. ↑ The IllustrisTNG Project, auf tng-project.org
  12. ↑ Thesan, auf thesan-project.com
  13. ↑ The MillenniumTNG Project, auf mtng-project.org
  14. ↑ IllustrisTNG - TNG-Cluster. Abgerufen am 11. April 2024.
  15. ↑ Mark Vogelsberger, Shy Genel, Debora Sijacki, Paul Torrey, Volker Springel: A model for cosmological simulations of galaxy formation physics. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 436, Nr. 4, 23. Oktober 2013, ISSN 1365-2966, S. 3031–3067, doi:10.1093/mnras/stt1789 (oup.com [abgerufen am 22. November 2018]).
  16. ↑ Serie. Archiviert vom Original am 22. November 2018; abgerufen am 22. November 2018 (deutsch).
  17. ↑ Dylan Nelson for the TNG Collaboration.: IllustrisTNG - Main. Abgerufen am 22. November 2018.
  18. ↑ Rainer Weinberger, Volker Springel, Lars Hernquist, Annalisa Pillepich, Federico Marinacci: Simulating galaxy formation with black hole driven thermal and kinetic feedback. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 465, Nr. 3, 22. November 2016, ISSN 0035-8711, S. 3291–3308, doi:10.1093/mnras/stw2944 (oup.com [abgerufen am 22. November 2018]).
  19. ↑ Adam Mann: Supercomputers Simulate the Universe in Unprecedented Detail. WIRED, 5. Juli 2014, abgerufen am 28. Februar 2015.
  20. ↑ Cosmologists Create Largest Simulation of Galaxy Formation, Break Their Own Record. 21. März 2018 (hlrs.de [abgerufen am 22. November 2018]).
  21. ↑ Mark Vogelsberger, Shy Genel, Debora Sijacki, Paul Torrey, Volker Springel: A model for cosmological simulations of galaxy formation physics. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Band 436, Nr. 4, 23. Oktober 2013, ISSN 1365-2966, S. 3031–3067, doi:10.1093/mnras/stt1789 (oup.com [abgerufen am 22. November 2018]).
  22. ↑ D. Nelson et al.: The illustris simulation. Public data release. In: Astronomy and Computing. Band 13. Elsevier, 2014, ISSN 2213-1337, S. 12–37.
  23. ↑ Dylan Nelson for the TNG Collaboration.: IllustrisTNG - Main. Abgerufen am 22. November 2018.
  24. ↑ Dylan Nelson for the Illustris Collaboration.: Illustris - Press and Media Coverage. Abgerufen am 25. November 2018.
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