Astronomie und Kosmologie

Kosmologische N-Körper-Simulation

Dunkle Materie als Milliarden Teilchen, unter Schwerkraft aus einem fast gleichförmigen frühen Universum zum kosmischen Netz aus Filamenten, Wänden und Leerräumen gewachsen.

Frage, die sie beantwortet: Lässt unser Modell des Universums dieselbe großräumige Struktur wachsen, die Teleskope sehen?

Lässt aus: Ein Teilchen steht für eine Million Sonnen, sodass nichts, was kleiner als eine Galaxie ist, wirklich da ist.

Läuft auf: etwa 10^17.5 FLOPS grob ein großer Teil eines nationalen Supercomputers, für Wochen.Seit: 1970 Peebles' 300-Punkte-Modell der Entstehung eines Galaxienhaufens, eines der frühesten; N-Körper-Läufe von Sternhaufen begannen 1960 mit von Hoerner

Galaxienentstehung

Gaskühlung, Sternentstehung und Supernova-Explosionen sowie Schwarze Löcher, deren Akkretion Ausflüsse antreibt, alles über das Netz der dunklen Materie gelegt.

Frage, die sie beantwortet: Warum haben Galaxien die Formen und Größen, die sie haben?

Lässt aus: Sternentstehung und Rückkopplung durch Schwarze Löcher werden durch einstellbare Sub-Grid-Parametrisierungen dargestellt, nicht aus ersten Prinzipien abgeleitet.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob ein großes Stück eines nationalen Supercomputers, Wochen Laufzeit.Seit: 1992 frühe kombinierte Schwerkraft-plus-Gas-Simulationen entstehender Galaxien.

Primordiale Nukleosynthese

Die ersten zwanzig Minuten, als das Universum ein Kernreaktor war, der Wasserstoff, Helium und eine Spur Lithium erzeugte.

Frage, die sie beantwortet: Stimmen die vorhergesagten Elementverhältnisse mit dem ältesten Gas überein, das wir messen können?

Lässt aus: Setzt voraus, dass das frühe Universum vollkommen homogen war, obwohl es kleine Inhomogenitäten enthielt.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Laptop; die ganze Rechnung dauert Sekunden.Seit: 1967 Die ersten berechneten Häufigkeiten leichter Elemente von Wagoner, Fowler und Hoyle.

Kosmischer Mikrowellenhintergrund

Wellen im heißen Plasma des jungen Universums, entwickelt, bis das Licht 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde.

Frage, die sie beantwortet: Welche kosmologischen Parameter erzeugen das Muster heißer und kalter Flecken, das wir beobachten?

Lässt aus: Setzt voraus, dass das kosmologische Standardmodell stimmt, und passt nur dessen kleine Parametermenge an.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Desktop-Workstation; Minuten pro Parametersatz.Seit: 1996 Seljak und Zaldarriagas schneller Boltzmann-Code für den Mikrowellenhimmel.

Kosmische Reionisation

Ultraviolettes Licht der ersten Sterne und Galaxien breitet sich aus und ionisiert den neutralen Wasserstoff, der das frühe Universum füllt.

Frage, die sie beantwortet: Was hat das Universum nach den kosmischen dunklen Zeitaltern reionisiert?

Lässt aus: Die schwachen, fernen Quellen, die den größten Teil der Ionisation leisten, liegen noch unter dem, was ein Teleskop direkt sehen kann, daher werden ihre Zahlen extrapoliert.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob ein großer Anteil eines nationalen Supercomputers, für Wochen.Seit: 1999 frühe Strahlungstransport-Simulationen der ersten ionisierten Blasen.

Intergalaktisches Medium und der Lyman-Alpha-Wald

Das dünne Gas zwischen den Galaxien wird unter Schwerkraft und Heizung entwickelt, bis sein Absorptionsmuster zum flackernden Wald von Linien im Spektrum eines fernen Quasars passt.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel gewöhnliche Materie gibt es im Gas zwischen den Galaxien, und wie heiß ist es?

Lässt aus: Hängt von Annahmen darüber ab, wie ultraviolettes Licht von Galaxien das Gas heizt, was nicht direkt beobachtet wird.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein Universitäts- oder nationaler Cluster, Wochen pro simuliertem Volumen.Seit: 1994 frühe hydrodynamische Simulationen, die den Lyman-alpha-Wald nachbildeten.

Simulationen dunkler Materie als Wellen

Das Universum wird entwickelt, wobei dunkle Materie als kohärente Quantenwelle behandelt wird, die den Gleichungen von Schrödinger und Poisson folgt, statt als klassische Teilchen.

Frage, die sie beantwortet: Wie sähe die kosmische Struktur aus, wenn dunkle Materie eine ultraleichte Welle wäre?

Lässt aus: Die Anforderung an die Wellenauflösung macht große Volumen schwer, und Baryonen werden meist weggelassen.

Läuft auf: etwa 10¹⁹ FLOPS grob Große Wellensimulationen mit adaptivem GitterSeit: 2014 Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave (2014) Quelle

An Beobachtungen gebundene Simulationen des lokalen Universums

Kosmologische Läufe, deren Anfangsbedingungen so abgestimmt sind, dass das entwickelte Volumen die beobachteten Nachbarn unserer Galaxie nachbildet, einschließlich naher Haufen.

Frage, die sie beantwortet: Können wir die tatsächlichen Strukturen um die Milchstraße simulieren statt eines typischen Ausschnitts des Universums?

Lässt aus: Die Einschränkungen stammen aus verrauschten Entfernungsdaten, sodass die Übereinstimmung statistisch ist, nicht exakt.

Läuft auf: etwa 10¹⁹ FLOPS grob Große N-Körper- oder hydrodynamische Läufe aus eingeschränkten AnfangsbedingungenSeit: 2010 Constrained Local UniversE Simulations (CLUES) (2010) Quelle

Kosmologische Emulatoren

Eine bescheidene Zahl aufwendiger kosmologischer Simulationen trainiert einen schnellen Interpolator, der Statistiken wie das Materieleistungsspektrum für nahe Parameterwerte vorhersagt.

Frage, die sie beantwortet: Können wir die Struktur für Tausende Parameterwahlen aus nur einigen Dutzend Simulationen vorhersagen?

Lässt aus: Es deckt nur den Parameterbereich und die Statistik ab, mit denen es trainiert wurde.

Läuft auf: etwa 10¹⁸ FLOPS grob Entwurf von Dutzenden N-Körper-Läufen, dann Vorhersagen mit nahezu keinem RechenaufwandSeit: 2010 The Coyote Universe III: simulation suite and precision emulator (2010) Quelle

Sternpopulationssynthese

Das gemeinsame Licht vieler Sterngenerationen wird aus Sternentwicklungsbahnen und Spektren aufsummiert, um aus den Farben einer Galaxie Alter, Massen und Sternentstehungsgeschichte abzulesen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Mischung von Sternen gibt einer Galaxie ihre Farbe?

Lässt aus: Sternentwicklungsbahnen und Spektralbibliotheken tragen eigene Unsicherheiten, etwa für späte Entwicklungsstadien.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Spektrensynthese mit geringem Aufwand, wiederholt über ein Gitter aus Altern und Metallizitäten.Seit: 1983 Bruzuals Spektralentwicklung von Galaxien, frühe Typen. Quelle

Galaktische chemische Evolution

Der Aufbau schwerer Elemente in einer Galaxie über die Zeit aus Gaszufluss, Sternentstehung, Sternentod und Gasabfluss, als System gekoppelter Ratengleichungen geschrieben.

Frage, die sie beantwortet: Wie hat eine Galaxie ihr Eisen und ihren Sauerstoff angesammelt?

Lässt aus: Durchmischung und Gasströmungen werden in wenigen freien Parametern zusammengefasst, sodass das Modell passt, aber nichts vorhersagt.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Integration von Ratengleichungen mit geringem Aufwand, über Parameter durchgescannt.Seit: 1968 Tinsleys Modell der Entwicklung der Sterne und des Gases in Galaxien. Quelle

Semianalytische Galaxienentstehung

Galaxien, auf die verschmelzenden Halos einer Simulation dunkler Materie aufgemalt, mit einfachen Regeln für Kühlung, Sternentstehung und Rückkopplung, sodass jede Galaxie mit geringem Rechenaufwand verfolgt wird.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele Galaxien jeder Größe beherbergen Halos aus dunkler Materie?

Lässt aus: Die Rezepte für Sternentstehung und Rückkopplung sind abgestimmt statt abgeleitet.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob Regeln, die auf Millionen Verschmelzungsbäume angewandt werden, mit weit geringerem Aufwand als Hydrodynamik.Seit: 1993 Kauffmann, White und Guiderdonis Galaxienentstehung in verschmelzenden Halos aus dunkler Materie. Quelle

Simulation selbstwechselwirkender dunkler Materie

Teilchen dunkler Materie, die aneinander streuen dürfen, sodass sich Halokerne abflachen und Satelliten ihre Form ändern; getestet an Galaxienbeobachtungen.

Frage, die sie beantwortet: Stoßen Teilchen dunkler Materie zusammen, und verflacht das die Kerne von Galaxien?

Lässt aus: Der Wirkungsquerschnitt ist eine freie Zahl, und baryonische Rückkopplung kann denselben Kern nachahmen oder verbergen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob N-Körper-Läufe mit einem zusätzlichen Streuschritt.Seit: 2000 Yoshida, Springel, White und Tormens schwach selbstwechselwirkende dunkle Materie und die Struktur dunkler Halos. Quelle

Kosmologische Simulation mit massiven Neutrinos

Neutrinos mit kleiner Masse, als Teilchen oder Gitterflüssigkeit in einen Lauf zur Strukturbildung eingefügt, damit sich die Wirkung auf das Wachstum des kosmischen Netzes messen lässt.

Frage, die sie beantwortet: Wie stark bremst die Masse des Neutrinos das Wachstum kosmischer Strukturen?

Lässt aus: Thermisches Rauschen der Neutrinos macht Teilchenverfahren verrauscht, und ihre Masse ist selbst unbekannt.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob N-Körper-Läufe mit großem Volumen und zusätzlicher Neutrinokomponente.Seit: 2008 Brandbyge, Hannestad, Haugbølle und Thomsens Wirkung der thermischen Neutrinobewegung auf das nichtlineare Materieleistungsspektrum. Quelle

Strukturbildung bei modifizierter Gravitation

N-Körper-Läufe, in denen die Gravitation im Großen von der Allgemeinen Relativitätstheorie abweicht, mit einem Abschirmmechanismus, der sie in der Nähe wiederherstellt, damit sich der Kosmos auf neue Kräfte testen lässt.

Frage, die sie beantwortet: Würde eine Änderung der Schwerkraft eine Spur in der kosmischen Struktur hinterlassen?

Lässt aus: Jede Theorie braucht ihren eigenen maßgeschneiderten Löser, und Screening ist teuer, wenn man es genau verfolgen will.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob N-Körper-Läufe, die in jedem Schritt eine zusätzliche nichtlineare Feldgleichung lösen.Seit: 2008 Oyaizus nichtlineare Entwicklung von f(R)-Kosmologien, Methodik. Quelle

Strahlverfolgung des schwachen Gravitationslinseneffekts durch simulierte Universen

Lichtstrahlen, die durch die Materie einer großen Simulation verfolgt werden, um vorherzusagen, wie Galaxienformen leicht verzerrt werden, damit sich Durchmusterungen kalibrieren lassen.

Frage, die sie beantwortet: Wie stark werden die Formen ferner Galaxien durch die dazwischenliegende Materie verzerrt?

Lässt aus: Mehrebenen-Näherungen und endliche Auflösung verwischen die kleinsten Linsenstrukturen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Strahlverfolgung durch Hunderte N-Körper-Schnappschüsse.Seit: 2000 Jain, Seljak und Whites Raytracing-Simulationen des schwachen Gravitationslinseneffekts durch großräumige Struktur. Quelle

Entwicklung kosmischer String-Netzwerke

Ein Netzwerk aus dünnen, gespannten Defekten, das von einem frühen Phasenübergang übrig blieb; es wird weiterentwickelt, um zu sehen, wie viele Schleifen und lange Strings überleben und wie sie gravitieren würden.

Frage, die sie beantwortet: Pendeln sich kosmische Strings, falls es sie gibt, in einem Muster ein, das skalenfrei bleibt?

Lässt aus: Feldtheorie-Läufe erreichen keine realistischen String-Breiten, und der Skalierungsbereich wird nur durch Extrapolation angenähert.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Nambu-Goto- oder Feldtheorie-Simulationen in einer expandierenden Box.Seit: 1985 Albrechts und Turoks berechnete Entwicklung kosmischer Strings. Quelle

Gitterfelddynamik im frühen Universum

Skalarfelder auf einem Gitter, bis zum Ende der Inflation entwickelt, um zu sehen, wie die Energie des Inflatons in einem heftigen resonanten Ausbruch an Teilchen weitergegeben wird.

Frage, die sie beantwortet: Wie heizte sich das Universum nach der Inflation auf?

Lässt aus: Klassische Felder stehen für Quantenfluktuationen, was nur gilt, solange die Besetzungszahlen groß sind.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob klassische Gitterfeldläufe mit bis zu einigen Tausend Punkten pro Seite.Seit: 1996 Khlebnikov und Tkachevs klassischer Zerfall des Inflatons. Quelle

Ausbreitung der galaktischen kosmischen Strahlung

Geladene Teilchen aus Supernovae, die unter Diffusion, Energieverlust und Kernreaktionen durch die Galaxis wandern, um vorherzusagen, was die Erde erreicht und welche Gammastrahlen sie aussenden.

Frage, die sie beantwortet: Wie diffundieren kosmische Strahlen durch die Galaxis, und was hinterlassen sie?

Lässt aus: Das Magnetfeld und die Gasverteilung der Galaxis sind geglättet, deshalb werden die Diffusionskoeffizienten angepasst.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Numerische Lösung einer Transportgleichung über ein Gitter von Parametern.Seit: 1998 Die Ausbreitung kosmischer Nukleonen in der Galaxis von Strong und Moskalenko. Quelle

Differenzierbare kosmologische Simulation

Eine Partikel-Gitter-Simulation des Strukturwachstums, so geschrieben, dass Gradienten durch sie hindurchfließen; Anfangsbedingungen oder Parameter lassen sich so direkt an beobachtete Galaxien anpassen.

Frage, die sie beantwortet: Welches Anfangsdichtefeld und welche Kosmologie reproduzieren die Galaxien, die wir tatsächlich sehen?

Lässt aus: Das schnelle Particle-Mesh-Verfahren ist im Kleinen grob, es passt also zu großen Strukturen, aber nicht zum Inneren von Galaxien.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Hunderte GPU-Stunden pro angepasstem Volumen.Seit: 2020 Modi und Kollegen, FlowPM, ein verteilter kosmologischer Particle-Mesh-Löser auf TensorFlow. Quelle

Kataloge und Bilder synthetischer Himmelsdurchmusterungen

Ein künstliches Universum aus Galaxien, Sternen und Transienten wird aus Simulationen gezogen und dann in die Pixelbilder umgerechnet, die ein Survey-Teleskop und seine Auswertungskette aufzeichnen würden, mit Rauschen, Überlagerung und Instrumenteneffekten.

Frage, die sie beantwortet: Würde die Software der Himmelsdurchmusterung die wahre Kosmologie aus einem Himmel zurückgewinnen, dessen Wahrheit wir kennen?

Lässt aus: Der Mock-Himmel enthält nur die Physik und Instrumenteneffekte, die seine Autoren einzubeziehen bedachten, deshalb bleiben unvorhergesehene Systematiken unvorhergesehen.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Monate auf einigen Supercomputer-Zuteilungen für Katalog- und Bilderzeugung.Seit: 2021 Die simulierte Himmelsdurchmusterung DC2 der LSST Dark Energy Science Collaboration. Quelle

Simulation von Galaxienkollisionen und -verschmelzungen

Zwei Galaxien werden als Scheiben aus Teststernen behandelt, die unter Schwerkraft aneinander vorbeiziehen, um zu zeigen, wie Gezeitenschweife, Brücken und Verschmelzungen entstehen.

Frage, die sie beantwortet: Stammen die langen Sternströme, die man um manche Galaxien sieht, von einer früheren nahen Begegnung?

Lässt aus: Frühe Versionen ignorieren die Schwerkraft der Sterne aufeinander und auf das Gas, und jede Übereinstimmung mit einem echten Paar ist nur eine mögliche Geschichte.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Stunden bis Tage auf einer Workstation für eine moderne hochaufgelöste Verschmelzung.Seit: 1972 Die eingeschränkten Dreikörperrechnungen von Toomre und Toomre zu galaktischen Brücken und Schweifen. Quelle

Sternentwicklung

Ein Stern als ineinandergeschachtelte Gashüllen, der seinen Brennstoff von der Geburt bis zum Weißen Zwerg, Neutronenstern oder Schwarzen Loch aufbraucht.

Frage, die sie beantwortet: Wie lange lebt ein Stern dieser Masse, und wie stirbt er?

Lässt aus: Behandelt Konvektion und Rotation mit parametrisierten Ansätzen, statt die Turbulenz direkt zu lösen.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Laptop; eine vollständige Entwicklungsbahn dauert Minuten.Seit: 1955 Hoyle und Schwarzschilds frühe berechnete Modelle von Roten Riesen.

Kernkollaps-Supernovae

Die letzte Sekunde eines massereichen Sterns: Der Kern kollabiert, Neutrinos strömen heraus, und eine Stoßwelle sprengt den Stern entweder auseinander oder kommt zum Stillstand.

Frage, die sie beantwortet: Welcher Mechanismus treibt die Explosion eines massereichen Sterns an?

Lässt aus: Der Mechanismus, der den stockenden Schock wiederbelebt, ist noch nicht geklärt, und die Modelle unterscheiden sich von Stern zu Stern.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob ein großer Anteil eines nationalen Supercomputers, für Monate.Seit: 1966 Colgates und Whites erste Computermodelle des Kernkollapses.

Sternentstehung

Kalte Gaswolken, die unter Schwerkraft zu Sternhaufen kollabieren, während Turbulenz und Magnetfelder dagegenhalten.

Frage, die sie beantwortet: Warum entstehen Sterne mit der Streuung von Massen, die sie haben?

Lässt aus: Kann noch nicht zugleich eine ganze Wolke und die winzigen Skalen auflösen, auf denen sich ein einzelner Stern tatsächlich bildet.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein Universitäts- oder nationaler Cluster, Wochen für eine Wolke.Seit: 1969 Larsons erster berechneter Kollaps einer Protosternwolke.

Sternschwingungen

Schall- und Schwerewellen durch das Innere eines Sterns werden berechnet, um das Muster der Helligkeitsschwankungen vorherzusagen, das ein Teleskop sehen würde.

Frage, die sie beantwortet: Was sagt uns das Wackeln eines Sterns darüber, was in ihm steckt?

Lässt aus: Nur die äußeren Schichten sind gut eingegrenzt. Der innerste Kern bleibt eine Frage der Schlussfolgerung, nicht der direkten Messung.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Laptop; ein vollständiges Schwingungsspektrum dauert Minuten.Seit: 1975 frühe berechnete Schwingungsmodelle, verglichen mit den beobachteten Fünf-Minuten-Pulsationen der Sonne.

Entwicklung von Doppelsternen

Zwei Sterne umkreisen einander so eng, dass sie Gas voneinander abziehen, Masse tauschen, verschmelzen oder als gebundenes Paar kompakter Überreste enden.

Frage, die sie beantwortet: Endet dieses Sternpaar als Verschmelzung, als überlebendes Paar oder als Quelle von Gravitationswellen?

Lässt aus: Der Massentransfer zwischen zwei Sternen wird noch immer durch eine kleine Menge einstellbarer Vorschriften dargestellt, statt aus ersten Prinzipien abgeleitet zu werden.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Laptop; eine Population von Doppelsternen entwickelt sich in Minuten.Seit: 1967 frühe berechnete Modelle des Massentransfers zwischen eng umlaufenden Doppelsternen.

Sternatmosphären und Spektren

Licht, das durch die äußeren Schichten eines Sterns entweicht, berechnet gegen Temperatur und Zusammensetzung, um das Spektrum vorherzusagen, das ein Teleskop aufzeichnen würde.

Frage, die sie beantwortet: Woraus besteht dieser Stern, und wie heiß ist seine Oberfläche?

Lässt aus: Setzt eine glatte, ruhige Atmosphäre voraus, obwohl Sternflecken und Konvektionszellen die echte Oberfläche aufrauen.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Workstation; Stunden pro modelliertem Stern.Seit: 1967 frühe berechnete Modellatmosphären, verglichen mit gemessenen Sternspektren.

Flavour-Entwicklung von Supernova-Neutrinos

Der dichte Neutrinostrom, der einen kollabierenden Stern verlässt, wird verfolgt, während die Neutrinos aneinander streuen und ihren Flavour wechseln. Das beeinflusst die Explosion und die geschmiedeten Elemente.

Frage, die sie beantwortet: Wie wechseln Neutrinos im Gedränge im Inneren einer Supernova ihren Flavor?

Lässt aus: Das volle Problem ist zu groß, um es neben der Explosion zu lösen, deshalb wird die Flavour-Physik in kleinen, vereinfachten Kästen behandelt.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob gekoppelte quantenkinetische Gleichungen in wenigen Dimensionen.Seit: 2006 Duan, Fuller, Carlson und Qians Simulation kohärenter nichtlinearer Neutrino-Flavour-Umwandlung im Umfeld einer Supernova. Quelle

Simulation der Konvektion an Sternoberflächen

Die brodelnden Oberflächenschichten eines Sterns werden dreidimensional mit Strahlung berechnet, um die Granulation und die Formen der Spektrallinien nachzubilden.

Frage, die sie beantwortet: Wie sieht die Oberfläche eines Sterns aus, und wie entstehen seine Linien?

Lässt aus: Nur ein dünner Ausschnitt wird modelliert, und die tiefen Schichten darunter werden aus eindimensionalen Sternmodellen vorgegeben.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob dreidimensionale Strahlungshydrodynamik eines Oberflächenausschnitts.Seit: 1998 Stein und Nordlunds Simulationen der solaren Granulation. Quelle

Entwicklung in der gemeinsamen Hülle

Ein kompakter Stern, der sich in die aufgeblähten Außenschichten seines Begleiters hineinschraubt und das Gas ausstößt oder verschmilzt; mit Hydrodynamik verfolgt, um zu sehen, welche engen Doppelsterne überleben.

Frage, die sie beantwortet: Wirft der spiralförmig einstürzende Stern die Hülle ab oder verschmilzt er mit dem Kern?

Lässt aus: Die Läufe dauern weit weniger lang als das echte Ereignis und können das Gas nicht abkühlen, sodass die Endabstände unsicher bleiben.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob dreidimensionale hydrodynamische Läufe über einige Umläufe.Seit: 1996 Rasio und Livios hydrodynamische Simulationen von Systemen mit gemeinsamer Hülle. Quelle

Populationssynthese von Doppelsternen

Millionen Doppelsterne, entwickelt mit schnellen Regeln für Massentransfer, Gezeiten und Supernova-Kicks, um vorherzusagen, wie viele Verschmelzungen, Novae und Gravitationswellenquellen eine Galaxie enthält.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele Doppelsysteme aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen entstehen in einer Galaxie?

Lässt aus: Schnelle Anpassungsformeln ersetzen detaillierte Sternmodelle, sodass seltene Ergebnisse von den angenommenen Regeln abhängen.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Millionen Doppelsterne, entwickelt mit analytischen Näherungen.Seit: 2002 Hurley, Tout und Pols' schnelle Entwicklung von Doppelsternen einschließlich Gezeiten, für Populationsstudien. Quelle

Collapsar- und Gammastrahlenausbruch-Jets

Ein massereicher Stern, der zu einem Schwarzen Loch kollabiert und einen Jet durch die Sternhülle treibt; mit relativistischer Hydrodynamik verfolgt, um zu sehen, ob ein Ausbruch entkommen kann.

Frage, die sie beantwortet: Kann ein Jet aus einem kollabierenden Stern ausbrechen und einen Gammastrahlenausbruch erzeugen?

Lässt aus: Das Starten des Jets wird von Hand vorgegeben, weil das zentrale Triebwerk zu klein und zu schnell ist, als dass die Hülle ihm folgen könnte.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob achsensymmetrische bis dreidimensionale relativistische Hydrodynamik.Seit: 1999 MacFadyen und Woosleys Collapsar-Simulationen von Gammastrahlenausbrüchen und Explosionen in gescheiterten Supernovae. Quelle

Astrochemische Reaktionsnetzwerke

Hunderte Gasphasen- und Kornoberflächenreaktionen, integriert in einer kalten interstellaren Wolke, um vorherzusagen, welche Moleküle entstehen und wie sie schwinden, wenn Sterne sich zu verdichten beginnen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Moleküle bilden sich in einer kalten Wolke, und wie schnell?

Lässt aus: Viele Ratenkoeffizienten sind nur bei Raumtemperatur gemessen oder geschätzt.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob steife Ratengleichungen für Tausende von Spezies, pro Wolke mit geringem Aufwand.Seit: 1973 Herbst und Klemperers Modell der Bildung und des Abbaus von Molekülen in dichten interstellaren Wolken. Quelle

Interstellare magnetisierte Turbulenz

Ein kompressibles, magnetisiertes Gas, das in einer periodischen Box aufgewirbelt wird, um zu ermitteln, wie schnell Turbulenz Energie verliert; das bestimmt, wie schnell Wolken zu Sternen kollabieren.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell klingt Turbulenz im interstellaren Gas ab?

Lässt aus: Numerische Dissipation ersetzt die echte Physik kleiner Skalen, und die Box hat weder Wände noch Gravitation.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob dreidimensionale MHD-Läufe mit hoher Auflösung.Seit: 1998 Die Dissipation in kompressibler magnetohydrodynamischer Turbulenz von Stone, Ostriker und Gammie. Quelle

Planetenentstehung

Staub in einer Scheibe um einen jungen Stern, der zu Kieseln, Planetesimalen und schließlich Planeten zusammenklebt.

Frage, die sie beantwortet: Wie wird aus einer Staubscheibe ein Sonnensystem?

Lässt aus: Der Schritt vom Kiesel zum Planetesimal von Kilometern Größe ist noch eher angenommen als abgeleitet.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, Tage bis Wochen für eine Scheibe.Seit: 1978 Die ersten numerischen Läufe von Greenberg und Kollegen zur Akkretion von Planetesimalen.

Bahndynamik

Die Planeten ziehen über Milliarden Jahre aneinander, und Asteroiden und Kometen fädeln sich zwischen ihnen hindurch.

Frage, die sie beantwortet: Ist das Sonnensystem stabil, und wird dieser Asteroid irgendetwas treffen?

Lässt aus: Chaos bedeutet, dass ein winziger Rundungsfehler das Ergebnis nach hinreichend langer Zeit umkippen kann.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob ein Desktop-Computer; Milliarden Jahre passen in wenige Tage.Seit: 1988 Das digitale Orrery von Sussman und Wisdom fand Chaos in Plutos Umlaufbahn.

Das interaktive Modell ausführen

Atmosphären von Planeten und Exoplaneten

An andere Welten angepasste Klimamodelle: andere Gase, Schwerkraft, Rotation und Sternenlicht.

Frage, die sie beantwortet: Könnte flüssiges Wasser auf der Oberfläche dieses Planeten bestehen?

Lässt aus: Überträgt erdkalibrierte Parametrisierungen für Wolken und Chemie auf Atmosphären, die sich ganz anders verhalten können.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, Tage pro simuliertem Planetenjahr.Seit: 1969 Leovy und Mintz' erstes allgemeines Zirkulationsmodell des Mars.

Planeteninnere und Dynamos

Heißes, konvektierendes Gestein oder Metall tief im Inneren eines Planeten, modelliert, um zu sehen, ob es ein Magnetfeld erzeugt und wie Wärme zur Oberfläche entweicht.

Frage, die sie beantwortet: Warum hat dieser Planet ein Magnetfeld, und ein anderer ähnlicher Größe nicht?

Lässt aus: Läuft bei einer Viskosität und Drehrate, die weit sanfter sind als in einem echten Planetenkern, und wird dann per Annahme hochskaliert.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein nationaler Cluster, Wochen für ein Innenmodell.Seit: 1995 frühe dreidimensionale Computermodelle der Geodynamo-Erzeugung des Erdfelds.

Einschlagskraterbildung

Ein Asteroid oder Komet, der auf einen Planeten trifft, modelliert von der Druckwelle durch den Boden bis zum Krater, den Trümmern und den hinterlassenen Klimafolgen.

Frage, die sie beantwortet: Wie groß wäre der Krater, und wie groß der Schaden, den dieser Einschlagkörper verursachen würde?

Lässt aus: Festigkeit und innerer Aufbau des Impaktors werden meist allein aus Größe und Geschwindigkeit erschlossen.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob eine Workstation oder ein kleiner Cluster, Stunden pro Einschlagszenario.Seit: 1980 frühe Hydrocode-Simulationen von Einschlagkratern, angestoßen durch die Hypothese vom Aussterben der Dinosaurier.

Nachweis und Charakterisierung von Exoplaneten

Die Abschwächung oder das Wackeln, das ein Planet im Licht seines Sterns verursachen würde, wird berechnet, um es mit echten Teleskopdaten zu vergleichen und Größe und Umlaufbahn herauszuziehen.

Frage, die sie beantwortet: Ist dieser Helligkeitseinbruch wirklich ein Planet, und wenn ja, wie groß ist er?

Lässt aus: Sternflecken und stellares Jittern können das Signal eines Planeten so genau nachahmen, dass sie eine automatische Suche täuschen.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Workstation; Minuten bis Stunden pro Kandidatensignal.Seit: 1984 frühe berechnete Lichtkurvenmodelle, mit denen die ersten Exoplanetensuchen geplant wurden.

Simulationen riesiger Einschläge

Smoothed-Particle-Hydrodynamik für zwei planetengroße Körper, die zusammenstoßen. Verfolgt werden Schmelze und Trümmer, aus denen sich ein Mond bilden kann.

Frage, die sie beantwortet: Könnte eine Kollision zwischen jungen Planeten den Mond hervorgebracht haben?

Lässt aus: Die Ergebnisse hängen von der Zustandsgleichung und vom angenommenen anfänglichen Drehimpuls und Winkel ab.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Millionen SPH-Teilchen mit realistischen ZustandsgleichungenSeit: 2001 Origin of the Moon in a giant impact near the end of Earth's formation (2001) Quelle

Populationssynthese von Planeten

Schnelle semianalytische Modelle der Planetenentstehung werden für Tausende simulierter Systeme ausgeführt, um eine statistische Population zu erzeugen, die mit Exoplanetensurveys verglichen wird.

Frage, die sie beantwortet: Welche Mischung aus Planetenmassen und Umlaufbahnen sagt eine bestimmte Entstehungstheorie voraus?

Lässt aus: Jedes System ist ein vereinfachtes eindimensionales Modell, kein vollständiger hydrodynamischer Lauf.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Tausende eindimensionale Scheibenläufe mit geringem AufwandSeit: 2004 Toward a deterministic model of planetary formation I (2004) Quelle

Rekonstruktion von Exoplanetenatmosphären

Eine Modellatmosphäre, die tausendfach gegen ein Transmissions- oder Emissionsspektrum gerechnet wird, um Temperatur und Molekülhäufigkeiten abzuleiten.

Frage, die sie beantwortet: Woraus besteht die Luft eines fernen Planeten?

Lässt aus: Eindimensionale Modelle werden an Daten begrenzter Qualität angepasst, sodass entartete Lösungen häufig sind.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Millionen Spektrenauswertungen in einem Bayes'schen Sampler.Seit: 2009 Madhusudhan und Seagers Verfahren zur Ermittlung von Temperatur und Häufigkeiten in Exoplanetenatmosphären. Quelle

Klimamodellierung habitabler Zonen

Ein eindimensionales Klimamodell eines Gesteinsplaneten in verschiedenen Abständen von seinem Stern; es gleicht Sternenlicht, Treibhausgase und Wolken aus, um zu finden, wo flüssiges Wasser bestehen kann.

Frage, die sie beantwortet: Wie weit von ihrem Stern entfernt darf ein Planet sein und noch flüssiges Wasser behalten?

Lässt aus: Eine Säule kann Wolken oder den Tag-Nacht-Kontrast nicht darstellen, deshalb verschieben sich die Ränder der Zone mit dreidimensionalen Modellen.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob eine eindimensionale Strahlungs-Konvektions-Säule, leicht genug für einen Laptop.Seit: 1993 Kasting, Whitmire und Reynolds' habitable Zonen um Hauptreihensterne. Quelle

Bildung von Planetesimalen durch Streaming-Instabilität

Staubkörner in einer Gasscheibe, die zu den ersten kilometergroßen Körpern verklumpen, simuliert mit Teilchen und Gas, um zu sehen, ob Turbulenz sie genug konzentrieren kann, damit sie kollabieren.

Frage, die sie beantwortet: Wie ballen sich Kiesel zu den ersten Bausteinen von Planeten zusammen?

Lässt aus: Kleine Kästen bedecken ein Stück der Scheibe, und die Teilchengrößen liegen in einem engen Bereich.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob dreidimensionale lokale Boxläufe mit Hunderten Millionen Teilchen.Seit: 2007 Johansen und Kollegen, schnelle Bildung von Planetesimalen in turbulenten zirkumstellaren Scheiben. Quelle

Wechselwirkung zwischen Planet und Scheibe und Migration

Ein Planet, eingebettet in die Gasscheibe, aus der er entstand; er zieht einen Spiralnachlauf, der ihn nach innen oder außen zerrt.

Frage, die sie beantwortet: Warum wandern Planeten von dort fort, wo sie entstanden sind?

Lässt aus: Die Migrationsrate reagiert empfindlich auf Thermodynamik und Viskosität der Scheibe, die kaum bekannt sind.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Hydrodynamische Scheibenläufe über Tausende Umläufe.Seit: 2000 Kleys hydrodynamische Simulationen der Migration eines Systems von Protoplaneten. Quelle

Verschmelzungen Schwarzer Löcher

Einsteins Gleichungen, direkt gelöst, während zwei Schwarze Löcher aufeinander zuspiralen und das Gravitationswellensignal erzeugen, auf das Detektoren lauschen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Wellenform sollten wir von zwei Schwarzen Löchern dieser Massen sehen?

Lässt aus: Die letzten Sekundenbruchteile vor der Verschmelzung brauchen noch Näherungen, die kein Computer vollständig auflöst.

Läuft auf: etwa 10^16.5 FLOPS grob ein großer Cluster, Wochen für eine Wellenform.Seit: 1964 Hahn und Lindquists erste berechnete Frontalkollision zweier Schwarzer Löcher.

Akkretionsscheiben und Jets

Magnetisiertes Gas, das spiralförmig in ein Schwarzes Loch stürzt, sich erhitzt und Jets startet, die Tausende Lichtjahre weit reichen.

Frage, die sie beantwortet: Wie leuchtet ein Schwarzes Loch heller als die Galaxie um es herum?

Lässt aus: Kann die Scheibe nicht bis hinunter zur Skala des Schwarzen Lochs selbst und zugleich die weitere Galaxie verfolgen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein großer Cluster, Wochen für einen globalen Scheibenlauf.Seit: 1991 Balbus' und Hawleys Simulationen, die die magnetorotationale Instabilität offenlegten.

Weltraumwetter

Der Sonnenwind und Eruptionen der Sonne treffen auf das Magnetfeld der Erde.

Frage, die sie beantwortet: Wird dieser Sonnensturm Satelliten oder Stromnetze beschädigen, und wann trifft er ein?

Lässt aus: Sagt die Ankunftszeit eines Ausbruchs mit mäßiger Genauigkeit voraus und seine Stärke deutlich weniger genau.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob der Cluster eines nationalen Vorhersagezentrums, mehrmals täglich ausgeführt.Seit: 1978 frühe globale MHD-Simulationen des Sonnenwinds, der auf das Erdfeld trifft.

Verschmelzungen von Neutronensternen

Zwei Neutronensterne spiralen zusammen und kollidieren, verfolgt durch Einsteins Gleichungen und Kernphysik zugleich, um zu sehen, welche Trümmer und welches Licht hinausgeschleudert werden.

Frage, die sie beantwortet: Erzeugt diese Verschmelzung ein Schwarzes Loch, und schmiedet sie die schweren Elemente, die man auf der Erde findet?

Lässt aus: Die Kernphysik so dichter Materie ist noch nicht vollständig bekannt, deshalb ist die Zusammensetzung der Trümmer deutlich unsicher.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob ein großer Anteil eines nationalen Supercomputers, für Wochen.Seit: 1990 frühe relativistische Hydrodynamik-Simulationen kollidierender Neutronensterne.

Pulsar-Magnetosphären

Das wirbelnde Magnetfeld und Plasma um einen rotierenden Neutronenstern wird berechnet, um zu sehen, wie er Radiowellen und hochenergetische Teilchen in den Weltraum bündelt.

Frage, die sie beantwortet: Warum streicht der Strahl eines Pulsars periodisch über die Sichtlinie, und was bestimmt seine Form?

Lässt aus: Das Plasma direkt an der Sternoberfläche, wo sich der Strahl tatsächlich bildet, ist physikalisch noch schlecht verstanden.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob ein Universitätscluster, Tage pro Magnetosphärenmodell.Seit: 1999 frühe globale Simulationen des rotierenden Magnetfelds eines Pulsars.

Sonneninneres und Dynamo

Heißes Plasma, das im Inneren der Sonne konvektiert und rotiert, modelliert, um zu sehen, wie es das Magnetfeld zum elfjährigen Sonnenfleckenzyklus aufwickelt.

Frage, die sie beantwortet: Warum steigt und fällt die magnetische Aktivität der Sonne in einem Elfjahreszyklus?

Lässt aus: Kann Periode und Amplitude des Zyklus noch nicht zuverlässig reproduzieren, ohne das Modell auf die beobachteten Werte abzustimmen.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob ein nationaler Cluster, Wochen für einen simulierten Zyklus.Seit: 1983 frühe dreidimensionale Konvektionssimulationen des Sonneninneren.

Gravitationswellen-Schablonenbänke aus numerischer Relativitätstheorie

Hunderte bis Tausende simulierter Verschmelzungen Schwarzer Löcher über Massenverhältnisse und Drehimpulse hinweg, kalibriert zu Wellenformmodellen, mit denen Detektoren Daten abgleichen.

Frage, die sie beantwortet: Wie sieht das Signal einer bestimmten Verschmelzung Schwarzer Löcher aus?

Lässt aus: Die Kataloge sind im Parameterraum dünn besetzt, sodass die Wellenformmodelle dazwischen Anpassungen sind, keine Simulationen.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Tausende Verschmelzungsläufe, jeder dauert Wochen auf einem Cluster.Seit: 2013 Mroue und Kollegen, Katalog von 174 Simulationen binärer Schwarzer Löcher für die Gravitationswellenastronomie. Quelle

Mock-Data-Challenges für Gravitationswellen

Simulierte Detektordaten mit vielen eingespeisten Quellen und realistischem Rauschen, genutzt, um zu testen, ob Analysepipelines die darin verborgenen astrophysikalischen Signale zurückgewinnen können.

Frage, die sie beantwortet: Kann eine Analysekette jede im Rauschen vergrabene Quelle finden und vermessen?

Lässt aus: Das Rauschen ist idealisiert, und die eingespeiste Quellenpopulation wird angenommen, sodass die Komplikationen echter Daten fehlen.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Viele lange Datenströme mit Tausenden überlappender Quellen.Seit: 2006 Die Mock LISA Data Challenges, die ersten Blindtests der Community für die Analyse von Gravitationswellen aus dem All. Quelle

Simulation von Magnetar-Magnetosphäre und Flares

Das verdrehte Magnetfeld außerhalb eines Magnetars, des Neutronensterns mit den stärksten bekannten Feldern, wird verfolgt, während es Spannung aufbaut, sich neu verbindet und Flares freisetzt.

Frage, die sie beantwortet: Wie setzt das verdrillte Feld eines Neutronensterns in einem Ausbruch Energie frei?

Lässt aus: Kräftefreie Physik vergisst die Trägheit des Plasmas und die Paarerzeugung, die echte Flares antreibt.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Relativistische kräftefreie Läufe auf einem Cluster.Seit: 2012 Parfrey, Beloborodov und Huis Simulation verdrillter, sich wieder verbindender Magnetar-Magnetosphären. Quelle

Rendering von Schatten und Bild Schwarzer Löcher

Lichtstrahlen, die durch die gekrümmte Raumzeit um ein Schwarzes Loch und sein heißes Gas verfolgt werden, um das ringförmige Bild vorherzusagen, das ein Teleskop sehen würde.

Frage, die sie beantwortet: Wie sieht das glühende Gas um ein Schwarzes Loch von der Erde aus?

Lässt aus: Das Gasmodell wird erst bei der Nachbearbeitung geschätzt, das Bild hängt also von angenommenen Elektronentemperaturen und Magnetfeldern ab.

Läuft auf: etwa 10¹⁵ FLOPS grob Strahlverfolgung durch Tausende Schnappschüsse von Akkretionssimulationen.Seit: 2000 Falckes, Melias und Agols simuliertes Bild des Schattens des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxis. Quelle

Gezeitenzerreißung von Sternen durch Schwarze Löcher

Ein Stern, von einem massereichen Schwarzen Loch auseinandergerissen; seine Trümmer werden zu einem Strom gedehnt, der zurückfällt und aufleuchtet, verfolgt mit Hydrodynamik.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel von einem zerrissenen Stern fällt in das Schwarze Loch, und wie hell ist der Ausbruch?

Lässt aus: Die Strahlung, die den Flare sichtbar macht, wird nur genähert, deshalb wird die Lichtkurve erschlossen und nicht von Anfang bis Ende simuliert.

Läuft auf: etwa 10¹⁶ FLOPS grob Smoothed-Particle- oder Gitterläufe mit allgemein-relativistischer Behandlung.Seit: 1989 Evans' und Kochaneks hydrodynamische Simulation der Gezeitenzerstörung eines Sterns durch ein massereiches Schwarzes Loch. Quelle

Strahlungstransport bei Kilonovae

Die glühende Wolke aus Schwerelement-Trümmern einer Neutronensternverschmelzung wird mit radioaktiver Heizung und Strahlungstransport modelliert, um ihr Licht und ihre Farbe vorherzusagen.

Frage, die sie beantwortet: Wie hell und wie rot ist das Nachleuchten der Verschmelzung zweier Neutronensterne?

Lässt aus: Die Opazitäten der schwersten Elemente beruhen auf unvollständigen Atomdaten und dominieren die Unsicherheit der vorhergesagten Farbe.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Mehrdimensionaler Monte-Carlo-Strahlungstransport mit atomaren Opazitätsdaten.Seit: 2010 Metzger und Kollegen, Modell elektromagnetischer Gegenstücke, die vom radioaktiven Zerfall des r-Prozesses angetrieben werden. Quelle

Modellierung von Strahlungsgürteln

Hochenergetische Elektronen und Protonen, die im Magnetfeld um einen Planeten gefangen sind und durch Diffusion, Injektion und Verlust bewegt werden, um Gefahren für Satelliten vorherzusagen.

Frage, die sie beantwortet: Warum schwellen Gürtel eingefangener Strahlung bei magnetischen Stürmen an und leeren sich?

Lässt aus: Die Raten der Welle-Teilchen-Diffusion werden aus begrenzten Messungen parametrisiert, eine Hauptfehlerquelle.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob dreidimensionale Diffusionsläufe über Sturmintervalle.Seit: 1995 Beutiers und Boschers dreidimensionales Modell des Elektronenstrahlungsgürtels. Quelle

Neuronale Inferenz für Gravitationswellen

Ein neuronales Netz wird an Millionen simulierter Verschmelzungssignale in synthetischem Detektorrauschen trainiert, damit es die wahrscheinlichen Massen, Spins und die Entfernung eines neuen Ereignisses fast sofort ausgeben kann.

Frage, die sie beantwortet: Lassen sich die Eigenschaften einer Verschmelzung Schwarzer Löcher in Sekunden ableiten, früh genug, um Teleskope darauf auszurichten?

Lässt aus: Es ist nur so gut wie das Wellenformmodell und das Rauschen, mit denen es trainiert wurde, und ungewöhnliche Signale können außerhalb dessen liegen, was es gelernt hat.

Läuft auf: etwa 10¹⁷ FLOPS grob Wochen GPU-Training an simulierten Wellenformen.Seit: 2021 Dax und Kollegen, neuronale Posterior-Schätzung für Gravitationswellenereignisse. Quelle