Das Universum ist in Bewegung: Nicht nur, dass es sich immer weiter ausdehnt und das, wie seit kurzem bekannt, sogar beschleunigt. Auch neue Strukturen wie Sterne und Galaxien entstehen dabei. Das Leben dieser Galaxien - von ihrer Geburt bis heute unter dem Einschluss ihrer Komponenten, Sterne und Gas - ist Gegenstand eines Forschungsprojekts des Astrophysikers Gerhard Hensler. Das Team um Hensler arbeitet dabei allerdings nicht mit Teleskopen, sondern mit Rechnerclustern, deren Kapazität größer ist als die aller Rechner Österreichs zusammen. |
Die Dimensionen der Objekte - Sterne und Galaxien -, die Univ.-Prof. Dipl.-Phys. Dr. Gerhard Hensler, Vorstand des Instituts für Astronomie und Leiter des Projekts "Computational Astrophysics" erforscht, 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 Millionen Planetensysteme wie das unsere. Insgesamt können heute mit den weltbesten Teleskopen Billionen Galaxien beobachtet werden. "Galaxien sind unvorstellbar große Gebilde, die einen permanenten Veränderungsprozess durchlaufen. Die einzige Möglichkeit, sie zu beschreiben, ist die Simulierung bzw. Modellierung am Computer. Und diese wollen wir im Zuge des Projekts, das im Rahmen des universitären Forschungsschwerpunkts 'Rechnergestützte Wissenschaften' läuft, optimieren", erklärt Hensler.
Zerlegung einer Galaxie
Als Ausgangspunkt dienen Objekte im All, die nur durch Teleskope betrachtet werden können. Und genau jene Beobachtungen werden am Computer "nachgebaut", um beide, Realität und Modell, miteinander zu vergleichen. Und auch um Vergangenheit und Zukunft, sprich Geburt und Tod von Sternensystemen zu simulieren. "Das sind unglaublich komplexe und langwierige Vorgänge. Zuerst müssen wir z.B. die Galaxienbedingungen für den Computer vorbereiten. Dazu zerteilen wir sie in Millionen von Gebieten, dann geben wir die sie beeinflussenden inneren und äußeren Kräfte und Prozesse ein, darunter Gravitation, Abkühlung, Erwärmung oder Gaszusammensetzung. Nun wird jeder Bereich für einen begrenzten Zeitschritt an einem einzelnen Prozessor des Computers durchgerechnet und danach mit allen anderen verbunden. Dadurch werden die globalen Einflüsse der 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 einer Galaxieentwicklung", so Hensler.
Zu viele Programme
Bis dato gibt es allerdings kein einziges Programm, mit dem es möglich ist, Objekte im All in all seinen Facetten zu berechnen. "Es gibt viele Programme, die ganz unterschiedliche Gesichtspunkte behandeln. So kann z.B. mit einem Programm Sternentstehung unter der Eigengravitation einer Gaswolke, mit einem anderen etwa die Gaszusammensetzung und mit einem weiteren die Dynamik der Galaxie berechnet werden. Diese Aufteilung kostet unglaublich viel Zeit, da wir zuerst alle Details einzeln untersuchen müssen, um sie am Ende zusammenzufügen", meint Hensler.
Eines der Projektziele von "Computational Astrophysics" ist es die Art der Berechnungen und die angewandten Methoden zu verbessern. Dazu arbeitet das vierköpfige Astronomen-Team um Hensler interdisziplinär auch mit MathematikerInnen, InformatikerInnen und PhysikerInnen zusammen. Ein besonderes Anliegen von Hensler ist dabei der Ausbau von Rechnerkapazität in Österreich.
Höchstleistungsrechnen
Denn bei der Berechnung einer Galaxie kommt man selbst mit einem heutigen PC nicht weit. Dieser würde wahrscheinlich hunderte Jahre für das Ergebnis brauchen. Für die Modellierung von Sternen, Galaxien oder Sternhaufen arbeiten die Astrophysiker mit so genannten Höchstleistungs-Rechenclustern, die über ganz Europa verteilt sind. "Zur Berechnung von Galaxien oder Sternen müssen wir eigentlich über die Landesgrenzen hinausgehen, da Österreich zurzeit kein derart leistungsfähiges Rechenzentrum besitzt. Die Modelle werden daher mit KollegInnen in Deutschland, Italien und Portugal berechnet ", sagt der Astronom Hensler: "Und selbst wenn die Rechner fast ohne Pause arbeiten, brauchen die Computer immer noch rund ein Jahr für die Berechnung vieler Modelle."
Galaxien im Keller
"Die Astrophysik und auch die Mathematik oder Informatik benötigen für ihre Forschungen unglaublich schnelle Computer mit enorm hohen Kapazitäten", so Gerhard Hensler. Derzeit wird in den Kellerräumen des Instituts für Astronomie ein kleiner Rechnercluster installiert. Dies kann allerdings nur ein lokaler Schritt sein, denn die Hauptmodellierungen müssen weiterhin an "High-perfomance Computing"(HPC)-Zentren erfolgen. Hensler wünscht sich, dass der Forschungsstandort Österreich auch in diesem Bereich zukünftig eine größere Rolle spielen wird: "International sind die 'Computational Sciences' extrem renommiert, weil sie sich neben Theorie und Experiment zur wichtigsten Methode der Wissensgewinnung in den Naturwissenschaften entwickelt haben."
Zukunftsvisionen
"Selbst wenn man alle Computer der Welt zusammenschließt, könnten wir die Gesamtheit der Beobachtungen im Weltall noch nicht berechnen. Immerhin blicken wir mit Teleskopen ca. 13 Milliarden Lichtjahre zurück, das ist fast bis zum Urknall", meint Hensler: "Gerade weil wir hier in Österreich mit unseren Computern noch Aufholbedarf haben, müssen wir verstärkt in sie investieren." Und dazu schwebt dem Astrophysiker auch schon ein Konzept vor. Für ihn wäre der Idealfall die Errichtung eines österreichweiten Höchstleistungsrechenzentrums für HPC: "Daran könnten dann alle Fachrichtungen wie Physik, Mathematik, Chemie, Klimaforschung oder Biologie interdisziplinär teilhaben." (td)
Das Projekt "Computational Astrophysics" am Institut für Astronomie ist eines von insgesamt sechs Projekten des universitären Forschungsschwerpunkts "Rechnergestützte Wissenschaften". Unter der Projektleitung von Univ.-Prof. Dipl.-Phys. Dr. Gerhard Hensler arbeiten die Astronomen Doz. Dipl.-Phys. Dr. Dieter Breitschwerdt, Ao. Univ.-Prof. Dr. Ernst Dorfi sowie Doz. Dipl.-Phys. Dr. Christian Theis. Zudem wird das Projektteam interdisziplinär vom Institut für Informatik unterstützt. |
