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Kollisionen im Computer

Der weltweit schnellste Code zur Simulation der Planetenentstehung berechnet Millionen von möglichen Umlaufbahnen und Zusammenstössen zwischen Himmelskörpern. Entwickelt haben ihn Forscher von PlanetS an der Universität Zürich.

Das Video zeigt eine GENGA-Simulation von 100’000 Testpartikeln in Jupiters Gravitationsfeld.

GENGA2 lautet der Name des neuesten Werkzeugs, mit dem sich untersuchen lässt, wie erdähnliche Planeten entstanden sind. „Mit Computersimulationen wie dieser können wir die Bahnen der Planetenbausteine verfolgen sowie die Kollisionen zwischen ihnen, welche deren Masse wachsen lässt“, erklärt Simon Grimm, PlanetS-Forscher an den Universitäten Zürich und Bern. „Wir brauchen diese Simulationen, weil es nicht möglich ist, den vollständigen Prozess der Planetenentstehung zu beobachten, da die daran beteiligten Planetesimale zu klein und zu weit weg sind.“

GENGA2 ist der weltweit schnellste so genannte N-Körper-Simulations-Code für Planetenentstehung. „N“ steht für eine vorgegebene Zahl. Im Allgemeinen lösen N-Körper-Simulationen die Bewegungsgleichungen von „N“ Objekten unter der gegenseitigen Schwerkraftswirkung – eine extrem schwierige Aufgabe, deren Lösung viel Rechenzeit braucht und deshalb sehr teuer werden kann. „Um eine hohe Geschwindikgeit und Präzision zu erreichen, benutzt unsere Simulation die sehr effiziente Rechenleistung von Grafikprozessoren, so genannten Graphics Processing Units, kurz GPUs, um die Planetenbahnen zu bestimmen“, erklärt Simon Grimm.

GPUs werden normalerweise benutzt, um bei realistischen Computerspielen schnelle Videoeffekte darzustellen. Sie enthalten Tausende von einzelnen Kernen, die für diesen Zweck optimiert wurden. Das erklärt den Namen GENGA, eine Abkürzung für „Gravitational Encounters with Gpu Acceleration“. Nach der Entwicklung einer ersten Version des Codes, veröffentlicht die Zürcher Gruppe nun eine neue Forschungsarbeit, in der weitere Fortschritte beschrieben werden. „GENGA2 ist eine Verbesserung von GENGA, die eine effizientere Behandlung von nahen Begegnungen verschiedener Körpern ermöglicht“, sagt Simon Grimm.

Kosmische Geschichte im Zeitraffer

Eine typische Computersimulation startet mit rund 2000 Planetesimalen mit einer Gesamtmasse von einigen Erdmassen, verteilt in einer Scheibe um einen Zentralstern. Durch Zusammenstösse entstehen grössere Objekte, aber durch Gasdruck fallen einige Planetesimale in die Sonne. Wenn nach einer Million Jahren Jupiter und Saturn geformt und dem System beigefügt werden, beschleunigt sich die Entstehung terrestrischer Planeten und endet nach 10 bis 50 Millionen Jahren mit einigen erdähnlichen Planeten.

Das Video zeigt den Entstehungsprozess erdähnlicher Planeten, simuliert mit GENGA.

Neben der Untersuchung der Planetenentstehung kann GENGA auch dazu dienen, die Umlaufbahnen von vielen Exoplaneten-Systemen gleichzeitig zu simulieren und so zu testen, welche Planetenkonfigurationen über eine Zeitspanne stabil bleiben. Dies hilft bei der Ermittlung der Bahnparameter von beobachteten Exoplaneten, welche Fehler und Ungenauigkeiten enthalten können. „Numerische Simulationen ermöglichen uns, die statistischen Variationen bei Exoplaneten-Systemen zu untersuchen, deren Kollisionsgeschichte und die chemische Zusammensetzung der entstanden Planeten“, erklärt Simon Grimm. Die Forschungsgruppe ist Teil des PlanetS-Projekts „Numerische Laboratorien“, das von Ben Moore, Professor an der Universität Zürich, geleitet wird. (bva)

http://nccr-planets.ch/research/projects/project-6/

 

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