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Die exponentiell wachsende Rechnerleistung moderner Hochleistungscomputer erlaubt es der Astrophysik, Prozesse zu simulieren, die sich über Milliarden von Jahren und Lichtjahren erstrecken. So können gängige Theorien über die Entstehung von Sternen und Galaxien in der Simulation überprüft und angepasst werden.
Für die Simulationen ist nicht nur die Rechnerleistung entscheidend, ebenso wichtig ist die Software, mit welcher die riesigen Datenmengen verarbeitet werden können. Damit dies möglich ist, werden – ähnlich wie in der Meteorologie – Raum und Zeit im möglichst kleine Kompartimente aufgeteilt, für welche die Berechnungen jeweils einzeln durchgeführt werden.
In der Simulation kosmologischer Prozesse stellt sich dabei das Problem, dass Skalen von mehreren Milliarden Lichtjahren bis zu einzelnen Lichtjahren berücksichtigt werden müssen.
Eine Technik, um solche Skalenunterschiede zu bewältigen, ist das so genannte «Adaptive Mesh Refinement» (AMR), zu deutsch die anpassungsfähige Verfeinerung der Kompartimente. Dabei werden die Kompartimente (mesh), laufend den neuen Skalen angepasst.
Die Software kann im Laufe der Berechnung sozusagen in einzelne Raum- oder Zeitregion hineinzoomen. «Kompartimente am Rande, die nicht mehr benötigt werden, fallen dabei weg, dafür werden im Fokusbereich jeweils neue Kompartimente erzeugt und berechnet», erklärt Romain Teyssier das Verfahren.
Teyssiers Software RAMSES verwendet dieses Verfahren, um die Entstehung von Galaxien simulieren zu können. Das Prinzip dabei ist analog wiederum zu dem der Vorhersagen in der Meteorologie: «Man nimmt ein System, dessen Ausgangsbedingungen – Luftdruck, Temperatur, etc – man kennt, und berechnet dann mögliche Entwicklungen.»
In der Astrophysik sind die Ausgangsbedingungen, die kurz nach dem Urknall geherrscht haben, in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung bekannt. Die weitere Entwicklung der Galaxien ist – jedenfalls im grossen Massstab – definiert durch die wesentlichen Faktoren, nämlich die Gravitation und die Strömungsmechanik.
RAMSES ist deshalb in erster Linie ein Programm für die Berechnungen von eigengravitierender Strömungsmechanik. Doch für das genauere Verständnis der Entstehung von Galaxien reicht dies nicht aus. Denn Galaxien bestehen aus Milliarden von Sternen, die im Zuge der Galaxiebildung entstehen. Beide Prozesse – Galaxiebildung und Sternenbildung – beeinflussen sich gegenseitig.
In der Bildung von Sternen spielen jedoch viele weitere Kräfte und Faktoren eine Rolle. «Will man also die Bildung von Galaxien verstehen, so muss man die Bildung jedes einzelnen Sterns verstehen», sagt Teyssier. Die Simulation muss eine Galaxie quasi Stern für Stern zusammensetzen.
RAMSES ist deshalb über die zehn Jahre, die Teyssier bereits am Code arbeitet, stets gewachsen und um weitere Module ergänzt worden. «Jedes neue Modul bedeutet mehrere Jahre Entwicklungsarbeit», sagt Teyssier. In der Zwischenzeit kann RAMSES sehr komplexe Berechnungen mit hoher Stabilität ausführen.
Das Preisgeld von 300'000 Euro erlaubt Teyssier, den Code auch für die Zukunft tauglich zu machen. Er ist seit zwei Jahren zusammen mit seinen Zürcher Kollegen George Lake, Ben Moore und Joachim Stadel am Projekt «High Performance and High Productivity Computing» (HP2C) beteiligt. Ziel des Projekts ist es, die Software auf eine stark erhöhte Rechnerleistung künftiger Computer anzupassen.
Das Problem dabei: Die grössere Leistungsfähigkeit geht auf Kosten der Komplexität der Programme, die die Computer ausführen können. Für Teyssier bedeutet dies, dass er seinen Code vereinfachen muss.
Zudem muss er toleranter für Hardwarefehler werden. «Heute funktioniert RAMSES mit sogenanntem parallel computing», erklärt Teyssier. Das heisst, die Berechnungen werden gleichzeitig auf zahlreichen Rechnern durchgeführt. Ein wesentlicher – und komplexer – Teil der Software ist dabei, den Datenaustausch unter diesen Computern zu steuern. RAMSES ist darauf angewiesen, dass alle Computer störungsfrei funktionieren. «Fällt nur einer aus, wird die ganze Berechnung gestoppt.»
In den neuen Supercomputern werden jeweils mehrere Millionen Prozessoren am Werk sein. «Dabei wird stets der eine oder andere ausfallen». RAMSES muss also so umgeschrieben werden, dass einzelne Ausfälle nicht die ganze Berechnung abbrechen. «Sonst können wir keine Berechnungen durchführen», so Teyssier.
Für die Dauer des HP2C-Projekt wird Teyssier, der eigentlich am «Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers» in Saclay bei Paris beheimatet ist, als Gastprofessor in Zürich bleiben. «Der Wechsel nach Zürich hat meiner Forschung einen wahren Schub verliehen», sagt er. «Das Umfeld mit so vielen Spezialisten auf dem Feld kosmologischer Simulation ist äusserst stimulierend».
