Österreichisch-chinesische Forschungsgruppe simuliert Galaxien

Wissenschafter der Universität Wien und des National Astronomy Observatory of China (NAOC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften modellieren die Entstehung einer Galaxie am Computer. Im Rahmen des Projekts wurde erstmals ein numerischer Code zur Simulation von Galaxien entwickelt. Das ist eine unglaublich komplexe Aufgabe, die immense Rechenleistungen erfordert. Unterstützt werden sie dabei von einem der weltweit größten Rechen-Cluster für Graphical Processing Units (GPU) in Beijing und vom schnellsten Rechner Österreichs, dem Vienna Scientific Cluster.

Das Leben und die Wechselwirkung von Galaxien mit ihrer Umgebung sind Gegenstand eines Projekts in "Computational Astrophysics", das im Rahmen des Austauschprogramms für Wissenschaftlich-Technische Zusammenarbeit (WTZ) vom Österreichischen Austauschdienst (OeAD) und dem chinesischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie durchgeführt wird. Leiter des Forschungsvorhabens sind der Astrophysiker Gerhard Hensler von der Universität Wien und sein Kollege in China, Rainer Spurzem vom NAOC der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Beijing (zeitweise auch Universität Heidelberg). Darüber hinaus ist Weipeng Lin, Professor am NAOC in Shanghai, ein weiteres Institut der Akademie, Partner. Im Rahmen des Kooperationsprojekts "High-Performance Computational Astrophysics" wird die Entwicklung und Anwendung eines "chemo-dynamischen Mehr-Phasen smoothed particle hydrodynamic Code" (cdSPH) auf die Entstehung und Entwicklung von Zwerggalaxien durchgeführt. Das erfordert Berechnungen auf Hochleistungscomputern und gegenseitige Kooperationsbesuche.

Die Dimensionen der astronomischen Objekte – Sterne und Galaxien –, die in der Gruppe um Gerhard Hensler, Dekan der Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie der Universität Wien, erforscht werden, sind für das normale menschliche Vorstellungsvermögen schwer fassbar. Alleine die Milchstraße, die "Heimatgalaxie" unseres Planetensystems, misst im Durchmesser rund 100.000 Lichtjahre und beherbergt 100 Milliarden Sterne und wahrscheinlich zig Millionen Planetensysteme wie das unsere. "Die einzige Möglichkeit Galaxien und ihre permanenten Veränderungsprozesse zu beschreiben, ist die Simulation bzw. Modellierung am Computer. Und diese wollen wir im Zuge der neuen Kooperation mit China optimieren", erklärt Hensler.

Die numerische Behandlung einer Galaxie
Als Ausgangspunkt dienen Objekte im All, die nur durch Teleskope betrachtet werden können. Diese Beobachtungen werden am Computer "nachgebaut", um beide – Realität und Modell – miteinander zu vergleichen. Hierzu ist es notwendig, die Komponenten der Galaxien, Gas, Sterne und – falls existent – Dunkle Materie, so detailliert wie möglich zu beschreiben. So findet man Sterne im Bereich von ein Zehntel bis zu rund dem Hundertfachen der Sonnenmasse und mit Lebensdauern von 10 Mio. Jahren bis (eigentlich) über das Alter des Universums hinaus, also 13,7 Mrd. Jahre. Die "kurzlebigen" Sterne explodieren als Supernovae und werfen dabei über 90 Prozent ihrer Masse in das Universum zurück.

Sterne wiederum entstehen aus einer kühlen Komponente des Gases, auch interstellares Medium genannt, das den Raum zwischen den Sternen ausfüllt. Dabei erreicht es z.T. Dichten, wo sich nur ein Atom in einem Kubikmeter des Raumes befindet, also 0,(mit 26 Nullen)16 kg, wohingegen unsere Atmosphäre an der Erdoberfläche rund 1 kg pro Kubikmeter besitzt. Darüber hinaus schwanken die Temperaturen des interstellaren Mediums von 10 Kelvin, also knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts bei -273 Grad Celsius, bis zu mehreren 10 Mio. Grad Celsius.

Modellierung von Galaxien
Da eine Galaxie von ihrer Umgebung beeinflusst wird, also mit anderen Galaxien wechselwirkt oder extragalaktisches Gas einfängt, muss in numerischen Simulationen eine Dimension von weit mehr als 100.000 Lichtjahren "überschaut" werden, während die Sternentstehung in "kleinen" Gaswolken von wenigen bis zu zig Lichtjahren Durchmessern vorkommt. "Galaxien sind unglaublich komplexe Systeme. Zuerst bereiten wir die Galaxienbedingungen für den Computer vor. Dazu zerteilen wir sie in ihre Komponenten, repräsentiert durch Millionen von Massenpaketen, dann geben wir die sie beeinflussenden inneren und äußeren Kräfte und Prozesse ein, wie etwa Gravitation, Abkühlung, Erwärmung oder Gaszusammensetzung und die Wechselwirkungen zwischen ihnen, wie Sternentstehung und stellaren Massenverlust. Anschließend werden die Bereiche oder Teilchen für einen begrenzten Zeitschritt auf die Prozessoren des Computers verteilt, entsprechend den Kräften und Prozessen durchgerechnet und danach mit allen anderen wieder verbunden. Dadurch werden die globalen Einflüsse der einzelnen Bereiche ermittelt, bevor alles wieder parallel auf die Prozessoren verteilt wird. Der jeweilige Status des Modells ist während des Rechenvorgangs jederzeit abrufbar. Am Schluss steht das fertige Modell der Entwicklung einer Galaxie", so Astrophysiker Hensler.

Vienna Scientific Cluster (VSC)
Der Vienna Scientific Cluster, der schnellste Rechner Österreichs, wird von der Gruppe um Hensler für große Modellrechnungen mit hoch-parallelisierten Gitterverfahren genutzt und "ist in allen seinen bisherigen Ausbaustufen eine immense Hilfe bei der Bewerkstelligung von High-performance Computing (HPC)". Der Supercomputer wurde im Herbst 2009 von der Universität Wien, der Technischen Universität und der Universität für Bodenkultur in Betrieb genommen, 2011 wurde die Ausbaustufe VSC2 eröffnet.

"In den Grafikkarten normaler PCs befinden sich allerdings auch bereits sehr leistungsfähige Prozessoren, sogenannte Graphical Processing Units (GPU), die zwar weniger 'intelligent' sind, beim Zusammenfassen zu einem Cluster aber unschlagbar schnell", so Hensler.

Zusätzliche Rechenleistung in China
Am National Astronomical Observatory of China (NAOC) der Chinese Academy of Sciences (CAS) in Beijing wurde 2009 einer der schnellsten GPU-Cluster mit 171 GPUs (bei 1.368 sogenannten Threads) für nur rund 5 Mio. Yuan installiert, der 2011 für seine Leistung von 50 Teraflops (das sind 50.000 Mrd. floating-point Operationen pro Sekunde) mit dem "PRACE Award of the International Supercomputing Conference ISC11" ausgezeichnet wurde. Zusätzlich haben die projektbeteiligten Wissenschafter aus Beijing Zugriff auf das Mole-8.5-System am Institute of Process Engineering (IPE, CAS) mit über 2.000 GPUs, die eine Leistung im Petaflop-Bereich erzielen.

Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dipl-.Phys. Dr. Gerhard Hensler
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1180 Wien, Türkenschanzstraße 17
T +43-664-602 77-518 95
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