Das Universum in der Kiste Kosmologische Bounded Box Simulationen von Galaxienhaufen Input-Vortrag im Rahmen der Schüler-Schnupperwoche von 14.-17.02.2011.

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1 Das Universum in der Kiste Kosmologische Bounded Box Simulationen von Galaxienhaufen Input-Vortrag im Rahmen der Schüler-Schnupperwoche von 14.-17.02.2011 Harald Höller, Markus Haider Institut für Astro- und Teilchenphysik Universität Innsbruck

2 zur Orientierung: Simulationen von Galaxienhaufen

3 Astrophysik Planeten + Planetoiden Sterne Galaxien Galaxienhaufen Kosmo s Asteroide n Skala 10 4-7 m10 7-10 m10 0-3 m10 18-21 m10 22-24 m10 28 m? ~10 6-8 Parsec = 1-100 Megaparsec = MPc

4 Galaxienhaufen (Cluster) Beobachtung Theorie Simulation

5 Forschung heute: Beobachtung | Theorie | Simulation

6 Numerische Simulationen ● Motivation ● Ergänzung bzw. Komplement zu Beobachtung und Theorie ● ● Welche Fragestellungen sind möglich? ● Rechnung mathematischer Modelle astrophysikalischer Vorgänge ● ● Was sind aktuelle und prinzipielle Grenzen? ● Rechenleistung bzw. „Software“ ● Numerische Simulation maximal so gut wie die Theorie

7 Konkrete Fragestellung, Bsp.: ● Wie haben sich die hierarchischen Strukturen im Universum gebildet..? ●... oder anders gefragt: Was war zuerst da? Sterne Galaxien Galaxienhaufen noch größere Strukturen

8 Strukturbildung: Beobachtung 1 ● Sterne - Galaxien - Galaxienhaufen - Superhaufen Quelle

9 Strukturbildung: Beobachtung 2 ● Es existieren noch größere Strukturen Quelle

10 Strukturbildung: Beobachtung 3 ● Das „Echo“ des Urknalls Quelle

11 Strukturbildung: Theorie 1 ● Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen sind gravitativ gebunden ● Theorie der Gravitation liefert Bewegungsgleichungen ● am einfachsten: 2. Newtonsches Gesetz F = m.a Lösung der Gleichungen -> Bewegung der Massen

12 Strukturbildung: Theorie 2 ● Fluktuationen aus dem „Echo“ des Urknalls als Saat für die Strukturbildung Quelle

13 Strukturbildung: Die Frage ● Wie haben sich – auf kosmologischer Skala – aus den anfänglichen Fluktuationen in der Dichte, die heutigen Strukturen im Universum ausgebildet?

14 Strukturbildung: Das Dilemma ● Bereits das Lösen der Bewegungsgleichungen dreier gravitativ gebundener Körper ist am Papier (analytisch) nicht allgemein möglich! [ Sichtwort: Dreikörperproblem ]Dreikörperproblem

15 Strukturbildung: Die Lösung ● Numerische Simulationen auf Superrechnern Quelle

16 Die Millenium-Simulation ● 10 10 Teilchen ● ● Entwicklungsgeschichte von 20 Millionen Galaxien ● Simulationsbox ~ 1 Gigaparsec Kantenlänge ● Link zum MPA Garching Link zum MPA Garching Quelle

17 astro-IBK: High Performance Computing

18 HPC in IBK ● Fragestellungen, die in Innsbruck bearbeitet werden: ● Physikalische (Dichte, Druck, Temperatur) und chemische (Elementhäufigkeiten) Entwicklung des Cluster Gases ● [ Markus Haider, Harald Höller ] ● Magnetfelder in Galaxienclustern ● [ Josef Stökl ] ● Dynamik und Entwicklung einzelner Galaxien im Haufen ● [ Dominik Steinhauser ] ● Verschmelzung von Galaxien und Haufen auf kosmologischen Zeitskalen ● [ Tobias Riser ] ● Visualisierung ● [ Werner Benger ]

19 Bsp.: Cluster Gas Simulationen ● Hypothese: beobachtete Elementkarten in Clustern kommen im Wesentlichen durch zwei dominante Anreicherungsprozesse zustande. Bem.: unveröffentlichte Arbeit von Florence

20 Bsp.: Cluster Gas Simulationen ● Simulations-Input: ● Hydrodynamik – Bewegung von Gasen (Theorie) ● Thermodynamik – Druck und Temperatur von Gasen (Theorie) ● Gravitation (Theorie) ● Expansion des Universums (Beobachtung) ● 2 Anreicherungsprozesse chemischer Elemente: galaktische Winde und ram-pressure stripping (Beobachtung)

21 Bsp.: Cluster Gas Simulationen ● Simulations-Output: Galaktische Winde und ram-perssure stripping reichern das Cluster-Gas unterschiedlich an. Bem.: unveröffentlichte Arbeit von Markus Haider

22 Bsp.: Cluster Gas Simulationen ● Video

23 Und jetzt: Kekspause + Diskussionsrunde

24 Weiterführendes und Links ● astro-IBK – Homepage des Institut für Astro- und Teilchenphysikastro-IBK ● HYDRO-SKI – Sammlung einiger Simulationen der letzten JahreHYDRO-SKI ● Millenium-Simulation – MPA GarchingMillenium-Simulation ● http://arxiv.org/abs/0801.3759 - On the influence of ram-pressure stripping on the star formation of simulated spiral galaxieshttp://arxiv.org/abs/0801.3759 ● http://arxiv.org/abs/astro-ph/0503559 - Star formation rates and mass distributions in interacting galaxieshttp://arxiv.org/abs/astro-ph/0503559 ● http://arxiv.org/abs/astro-ph/0504068 - Metal Enrichment Processes in the Intra- Cluster Mediumhttp://arxiv.org/abs/astro-ph/0504068 ● astro-IBK – Homepage des Institut für Astro- und Teilchenphysikastro-IBK ● HYDRO-SKI – Sammlung einiger Simulationen der letzten JahreHYDRO-SKI ● Millenium-Simulation – MPA GarchingMillenium-Simulation Einige Publikationen