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Supercomputer Simuliert Kollision Schwarzer Löcher

27.08.1999 - (idw) Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Arbeiten an dem weltweit größten Forschungsinstitut für Gravitationsphysik haben gezeigt, was passieren könnte, wenn ein Schwarzes Loch versucht, an einem größeren vorbei zu kommen, aber statt dessen verschluckt wird.


Verschmelzung zweier schwarzer Löcher (Albert-Einstein-Institut)
Am Albert-Einstein-Institut (AEI), dem seit 1995 bestehenden Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam, hat eine internationale Forschungsgruppe ein Computerlaboratorium für die Untersuchung von Schwarzen Löchern aufgebaut. Zu den Computern in Golm gehört ein leistungsfähiger Origin 2000 Supercomputer der Firma SGI (Mountain View, California). 32 einzelne Prozessoren arbeiten parallel und erreichen 3 Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde.

Im Juni stand dem Forscherteam außerdem zwei Wochen lang ein noch deutlich größerer Computer zur Verfügung, eine 256-Prozessor SGI Origin 2000, die für besondere "Capability Computing" Simulationen reserviert ist. Dieser Computer gehört zu dem National Center for Supercomputing Applications (NCSA) an der University of Illinois, und ist einer der größten zivilen Rechner in den USA. Mit "Capability Computing" bezeichnet man Superjobs, die die völlige Kontrolle über einen Höchstleistungsrechner über einen Zeitraum von Tagen oder Wochen erforderlich machen. Das Team, zu dem auch Wissenschaftler am NCSA, an der Washington University in St. Louis, USA, und dem Konrad-Zuse-Zentrum in Berlin gehören, benötigte 1
Terabyte (1000 Gigabyte) Festplattenspeicherplatz, und als es seine Arbeit beendet hatte, waren erstaunliche 140,000 CPU-Stunden auf der Origin 2000 berechnet worden. Das entspricht 16 Jahren auf einer Einprozessormaschine. Nie zuvor war eine Forschungsgruppe auf mehr als 100,000 CPU-Stunden auf einem Origin-System am NCSA gekommen.

Einer der Wissenschaftler des Teams, Dr. B. Brügmann, hatte die Durchführbarkeit von Computersimulationen zweier Schwarzer Löcher auf der Origin 2000 am AEI demonstriert, indem er die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern bei einem dezentralen Zusammenstoß berechnete. Ausgehend von einer neuen Methode zur Berechnung von Anfangsdaten für die Kollision Schwarzer Löcher, die er mit seinem Kollegen Dr. S. Brandt am AEI entwickelt hatte, untersuchte er, was geschieht, wenn ein Schwarzes Loch einem zweiten, größeren Schwarzen Loch sehr nahe kommt. Wie zwei Wassertropfen verschmelzen die zwei Schwarzen Löcher zu einem einzigen Schwarzen Loch und senden dabei Wellen des Schwerefeldes aus, welche die Physiker Gravitationswellen nennen. Zahlreiche Forschungsgruppen, insbesondere in den USA, arbeiten an der Durchführung solcher Simulationen, aber Brügmanns Simulationen waren die ersten, bei denen die Schwarzen Löcher nicht frontal entlang einer Symmetrieachse zusammenstoßen, sondern die Kollision vollständig dreidimensional verläuft.

Neben der Faszination mit Schwarzen Löchern im allgemeinen wird das Team auch dadurch motiviert, daß in näherer Zukunft Gravitationswellen, insbesondere von Kollisionen von schwarzen Löchern, direkt nachgewiesen werden sollen. Wie der Leiter der Arbeitsgruppe am AEI, Prof. E. Seidel, sagt: "Die enormen Investitionen in riesige Gravitationswellendetektoren in verschiedenen Ländern, den 1,2 Kilometer langen Detekor GEO nahe Hannover eingeschlossen, werden sich womöglich nur dann auszahlen, wenn wir den Experimentatoren verläßliche Methoden zur Erkennung von Gravitationswellen, wie sie von Schwarzen
Löchern erzeugt werden, zur Verfügung stellen." Seidel kam vor drei Jahren mit einigen seiner Mitarbeiter aus den USA, wo er die bis heute genauesten Rechnungen zu Frontalkollisionen von Schwarzen Löchern
durchgeführt hatte. Von nichtfrontalen Zusamenstößen, wie sie jetzt von den Wissenschaftlern am AEI berechnet werden, nimmt man an, daß sie in der Astronomie wesentlich häufiger vorkommen als Frontalzusammenstöße.

Für die Analyse der riesigen, Terabyte großen Datenmengen der Simulationen verwendet die Gruppe Visualisierungssoftware, die am Konrad-Zuse-Zentrum in Berlin entwickelt wurde, und die von W. Benger für die Behandlung von Schwarzen Löchern adaptiert wurde. Diese Software erlaubt es, die Daten in anschauliche Bilder umzusetzen und damit Animationen zu erzeugen, die es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Vorgänge beim Simulationsprozeß der Kollision Schwarzer Löcher zu verfolgen. Drei Wochen lang wurde von NCSA und SGI ein spezieller Graphikhochleistungsrechner zur Verfügung gestellt, mit dem Benger beeindruckende Visualisierungen des Kollisionsprozesses aus den numerischen Daten erzeugen konnte. Sie zeigen, wie Schwarze Löcher verschmelzen, und wie während des Verschmelzungsvorgangs explosionsartig Gravitationswellen ausgesandt werden, wie sie womöglich schon bald von Gravitationswellendetektoren wie GEO bei Hannover nachgewiesen werden.

Durch Fortschritte bei solchen Supercomputer Simulationen stehen Wissenschaftler jetzt an der Schwelle zu
einer neuen Art der Experimentalphysik. Prof. B. Schutz, Direktor am AEI, sagt: "Astronomen sagen uns heutzutage, daß sie den Ort von vielen tausend Schwarzen Löchern kennen, aber hier auf der Erde können wir mit ihnen keine Experimente durchführen. Die einzige Möglichkeit, Einzelheiten zu erfahren, wird sein, numerisch Ersatz für sie in unseren Computern zu schaffen, und im Computer zu beobachten, wie sie sich verhalten. Ich glaube, daß die Erforschung Schwarzer Löcher eines der Schlüsselthemen in der Astronomie des ersten Jahrzehnts des nächsten Jahrhunderts sein wird."

Weitere Auskünfte erhalten Sie gern von

Prof. Edward Seidel

Telefon: 0331-567-7220
e-mail: eseidel@aei-potsdam.mpg.de

oder
Dr. habil. Bernd Brügmann
Telefon: 0331-567-7324
e-mail: bruegman@aei-potsdam.mpg.de

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
Albert-Einstein-Institut (AEI)
Am Mühlenberg, 14476 Golm,
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