Gruber-Kosmologiepreis für Volker Springel

Der Max-Planck-Forscher erhält die mit 500.000 Dollar dotierte Auszeichnung zusammen mit Lars Hernquist

Große Ehre für Volker Springel: Der Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching erhält den Gruber-Kosmologiepreis 2020 für wertvolle Beiträge zu Simulationen des Universums. Springel teilt sich die Prämie in Höhe von 500.000 Dollar mit Lars Hernquist vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Die beiden Forscher entwickelten Methoden, um Theorien über die Strukturbildung in Größenbereichen von Sternen über Galaxien bis hin zum Weltall als Ganzes zu testen. Dabei entwarfen Springel und Hernquist numerische Algorithmen und frei verfügbare Codes, die mittlerweile von vielen anderen Wissenschaftlern verwendet werden.

Ausgezeichneter Kosmologe: Volker Springel

Wie hat sich der Kosmos entwickelt? Welche Rolle spielen dabei dunkle Materie und dunkle Energie? Mit diesen Fragen beschäftigen sich Volker Springel und Lars Hernquist seit vielen Jahren und schöpfen dabei die Möglichkeiten moderner Supercomputer voll aus. Mit der Kombination von Theorie und bekannter Physik stellen ihre aufwendigen Simulationen die Entwicklung des Universums nach – von den Anfängen bis zur Ausprägung der heute sichtbaren Strukturen. Durch einen Vergleich der Eigenschaften des simulierten Weltalls und der mit Teleskopen am Himmel beobachteten Galaxien lässt sich überprüfen, ob das zugrunde liegende kosmologische Modell passt.

Mithilfe von Computersimulationen haben Volker Springel und Lars Hernquist auch Theorien über die kalte dunkle Materie und die dunkle Energie getestet. Erstere ist unsichtbar und macht etwa vier Fünftel der Materie des Universums aus; Letztere ist eine geheimnisvolle Kraft, die das Universum beschleunigt expandieren lässt. Zudem untersuchen die Wissenschaftler das Zusammenspiel dieser beiden Unbekannten mit der gewöhnlichen baryonischen Materie bei der Entstehung der im All sichtbaren Strukturen.

Springel und Hernquist haben herausgefunden, dass Simulationen notwendig sind, die sogenannte Rückkopplungen einbeziehen – also jenen Teil von ausströmender Materie (Gas) und Energie, der in evolutionäre Prozesse zurückfließt. So etwa zeigten sie im Jahr 2005 gemeinsam mit ihrer Mitarbeiterin Tiziana Di Matteo, dass die Rückkopplung von supermassiven schwarzen Löchern die Wachstumsbeziehung zwischen ihnen und ihren Wirtsgalaxien bestimmt. Heute ist die Rückkopplung ein Standardbestandteil kosmologischer Simulationen auf praktisch allen Größenskalen, von der Sternentwicklung über die Physik der dunklen Materie bis hin zur Verteilung galaktischer Superhaufen in netzartigen Strukturen.

Der Gruber-Preis würdigt auch die Tatsache, dass Volker Springel und Lars Hernquist mehrere Codes geschrieben haben, die für Kosmologen heute unverzichtbar geworden sind. So etwa stellte Springel im Jahr 2001 zusammen mit Naoki Yoshida und Simon White das Programm Gadget vor, das er bei der Erstellung der Millennium-Simulation verwendete – der ersten reinen Simulation mit dunkler Materie, die ein repräsentatives Volumen des Universums umfasste. Die daraus resultierende Bilderserie lieferte eine aufschlussreiche Darstellung der Strukturen in Form eines kosmischen Netzes.

Der Max-Planck-Forscher leitete auch die Entwicklung des Programms Arepo, das er und Lars Hernquist bei der Erstellung von Illustris verwendeten. Diese weltweit größte astrophysikalische Simulationsreihe stellt die Entwicklung des Universums in einmaliger Detailtreue dar. Gleichzeitig erlaubt sie, die Eigenschaften des Alls von den größten Strukturen bis hin zu einzelnen Galaxien über nahezu die gesamte kosmische Geschichte hinweg zu reproduzieren.

Im Jahr 2018 veröffentlichte das internationale Illustris-Team ein Update der Simulation namens IllustrisTNG („Illustris The Next Generation“). Darin stellten die Forscher erstmals die Großraumstruktur der Galaxien mit hydrodynamischen Simulationen dar. Und sie berücksichtigten physikalische Prozesse wie die Verstärkung kosmischer Magnetfelder, die Produktion schwerer Elemente in Supernovaexplosionen oder die Einspeisung von kinetischer Energie durch Gas, das schwarze Löcher ausstoßen.

Das deutsche Gauss Centre for Supercomputing erlaubte dabei die Realisierung der beiden Hauptrechnungen TNG100 und TNG300. Insgesamt wurden mehr als 500 Terabyte an Simulationsdaten erzeugt. Deren Auswertung wird die Wissenschaftler noch über Jahre hinaus beschäftigen. Mit ihren Arbeiten haben Volker Springel und Lars Hernquist der Kosmologie wichtige Impulse verliehen und ihr eine neue, spannende Richtung gegeben.

 HOR

 


 

Volker Springel promovierte im Jahr 2000 an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, nachdem er an der Universität Tübingen und der University of California in Berkeley Physik studiert hatte. Nach einem Postdoc-Aufenthalt am Harvard Center for Astrophysics wurde er am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) zunächst Postdoc und von 2005 an Gruppenleiter für Computational Cosmology. Im Jahr 2010 wurde er zum Professor für Theoretische Astrophysik an der Universität Heidelberg ernannt und Forschungsgruppenleiter am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS), bevor er 2017 als Direktor an das MPA zurückkehrte.

Springel erhielt bereits zahlreiche Preise und Ehrungen, darunter im Jahr 2004 den Heinz Maier-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 2005 den Internationalen Medienpreis für Wissenschaft und Kunst und 2009 den Klung-Wilhelmy-Weberbank-Preis für Physik. Im Jahr 2006 wurde Springel vom Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft in die „Elf der Wissenschaft“ gewählt. Seit 2016 ist er Mitglied der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina. Vor kurzem ernannte ihn die Nationale Akademie der Wissenschaften in den USA (NAS) zum auswärtigen Mitglied.

Das internationale Gruber-Preisprogramm ehrt Persönlichkeiten aus den Bereichen Kosmologie, Genetik und Neurowissenschaften, deren bahnbrechende Arbeiten neue Modelle liefern, die grundlegende Veränderungen in Wissen und Kultur inspirieren und ermöglichen. Die Auswahlbeiräte wählen Persönlichkeiten aus, deren Beiträge in ihrem jeweiligen Fachgebiet unser Wissen voranbringen und potenziell einen tiefgreifenden Einfluss auf unser Leben haben. Die Gruber-Stiftung wurde 1993 von dem verstorbenen Peter Gruber und seiner Frau Patricia Gruber gegründet. Die Stiftung begann ihr internationales Preisprogramm im Jahr 2000 mit dem erstmals vergebenen Kosmologiepreis.

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