Die Gott-Maschine im Keller von Durham

Zweiundsiebzig Millionen Stunden lang kaute ein Supercomputer in einem ruhigen Winkel Nordenglands auf den Gesetzen der Physik herum, bis er ein Geist ausspuckte. Es war kein Fehler oder eine zufällige Zahlenfolge, sondern ein Spiegelbild: ein synthetisches Universum, so präzise, dass seine Schöpfer behaupten, es sei von dem Universum, in dem wir tatsächlich leben, nicht zu unterscheiden. Als die Bilder schließlich auf den Monitoren der Durham University flackerten, betrachteten die Forscher keine körnigen Annäherungen; sie sahen Galaxien, die exakt dieselben Leuchtkräfte, Farben und Ansammlungen aufwiesen wie die Sterne, die wir durch die leistungsstärksten Teleskope sehen, die existieren.

Dieses Projekt entstand nicht aus dem Wunsch heraus, Gott zu spielen. Es war ein verzweifelter Versuch, die aktuelle Version der Realität zu retten. In den letzten Jahren befand sich die Welt der Kosmologie in einer stillen Panik. Die Daten, die vom James Webb Space Telescope (JWST) zurückkamen, verhielten sich widerspenstig und zeigten uns uralte Galaxien, die viel zu groß und viel zu hell sind, als dass unsere derzeitigen Theorien sie erklären könnten. Einige Physiker hatten bereits gemunkelt, dass unser „Standardmodell“ des Universums irreparabel beschädigt sei. Das COLIBRE-Projekt – das Ergebnis einer zehnjährigen internationalen Knochenarbeit – wurde ins Leben gerufen, um herauszufinden, ob die Mathematik noch standhält oder ob wir das Regelbuch zerreißen und von vorne anfangen müssen.

Das schiere Ausmaß der damit verbundenen Rechenleistung ist ohne ein Bier und einen Taschenrechner kaum zu begreifen. Um die größte Version dieser Simulation auszuführen, arbeitete der COSMA8-Supercomputer das Äquivalent von 8.219 Jahren Lebenszeit eines einzelnen Prozessors ab. Würde man dies auf einem High-End-Gaming-Laptop versuchen, würde die Maschine wahrscheinlich zu einer Lache aus Silizium schmelzen, bevor sie ein Milliardstel der Arbeit erledigt hätte. Diese massive Investition an digitaler Energie war erforderlich, weil das Team beschloss, keine Abkürzungen mehr zu nehmen, die Weltraumsimulationen seit Jahrzehnten plagten.

Die zehntausend Grad heiße Mauer

Um zu verstehen, warum diese Simulation anders ist, muss man verstehen, warum frühere Versionen im Grunde genommen Cartoons waren. Der Weltraum ist groß, aber er ist auch unordentlich. Bisher hatten Astronomen Schwierigkeiten, „kalte“ Gase zu modellieren – alles unter etwa 10.000 Grad Fahrenheit (ca. 5.500 Grad Celsius). Während das für einen Menschen wie ein Hochofen klingt, ist es in kosmischen Maßstäben praktisch eiskalt. Da sich diese kalten Gase und die darin enthaltenen Staubwolken unglaublich komplex und turbulent verhalten, ließen frühere Simulationen sie einfach weg. Sie setzten eine harte Untergrenze bei 10.000 Grad und hofften, dass die fehlenden Daten keine allzu große Rolle spielten.

Carlos Frenk, Physiker an der Durham University und einer der leitenden Architekten des Projekts, beschrieb den Moment der Fertigstellung als „berauschend“. Es ist eine Sache, eine Theorie auf dem Papier zu haben; es ist eine andere, einer Maschine dabei zuzusehen, wie sie dieser Theorie folgt und eine Galaxie baut, die genau so aussieht wie diejenige, die man sieht, wenn man ein Teleskop auf den Himmel richtet. Hätte die Simulation etwas anderes hervorgebracht – Materieansammlungen, die nicht verklumpten, oder Sterne, die zu schnell ausbrannten –, wäre dies der letzte Sargnagel für unser Verständnis des Kosmos gewesen.

Warum die Physik in einer Midlife-Crisis steckte

Die Spannung, die dieses Projekt vorantreibt, stammt von einer spezifischen Reihe von Beobachtungen, die in den Hallen der NASA für Unruhe sorgten. Als das JWST startete, begann es Dinge zu sehen, die es nicht hätte sehen dürfen: riesige Galaxien im sehr frühen Universum. Dem Standardmodell zufolge hätten diese Galaxien gar nicht genug Zeit gehabt, um so groß zu werden. Es war, als käme man in ein Kinderzimmer und fände ein Neugeborenes vor, das fast zwei Meter groß ist und Shakespeare rezitieren kann. Das ergab keinen Sinn und führte zu einer Flut von Schlagzeilen, die nahelegten, dass der Urknall nie stattgefunden habe oder dass die Schwerkraft anders funktioniere, als wir dachten.

Die Simulation bot jedoch nicht nur Trost. Sie hob auch ein eklatantes, rubinrotes Problem hervor, das Physiker immer noch zu erklären versuchen. Selbst mit 72 Millionen Stunden Supercomputer-Leistung kann das Modell die „kleinen roten Punkte“ (Little Red Dots) nicht ganz erklären. Dabei handelt es sich um eine Klasse extrem heller, kompakter Objekte, die vom JWST entdeckt wurden und existierten, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Sie sehen aus wie Galaxien, sind aber viel zu dicht, und sie scheinen zu verschwinden, je älter das Universum wird. Sie sind das kosmische Äquivalent einer Geistergeschichte – in der einen Minute da, in der nächsten weg, und sie weigern sich, den Regeln zu folgen.

Die Kompromisse, wenn man virtuell Gott spielt

Jede Simulation ist ein Kompromiss zwischen Genauigkeit und Maßstab. Selbst mit der Leistung von COSMA8 mussten die Forscher Entscheidungen treffen. Sie können ein riesiges Volumen des Universums modellieren, aber sie können nicht jeden einzelnen Kieselstein oder Asteroiden sehen. Sie betrachten den „Makro“-Maßstab – wie dunkle Materie an Gas zieht, wie Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien Material zurück in den Weltraum blasen und wie sich diese Kräfte über Milliarden von Jahren ausgleichen. Dies ist ein Spiel kosmischer Buchhaltung, und zum ersten Mal scheinen die Bücher endlich auszugleichen.

Der wahre Wert von COLIBRE liegt nicht nur darin, zu beweisen, dass wir richtig liegen; er liegt darin, uns einen Spielplatz zu geben, um zu testen, wo wir falsch liegen könnten. Wenn wir wissen wollen, was passiert, wenn dunkle Materie „warm“ statt „kalt“ ist, oder wenn wir sehen wollen, wie eine andere Art von Wachstum Schwarzer Löcher die Form einer Spiralgalaxie beeinflusst, müssen wir nicht Milliarden von Jahren auf ein reales Experiment warten. Wir ändern einfach eine Codezeile und lassen die Simulation erneut laufen. Es ist ein Labor, in dem die Probe das gesamte Universum ist.

Es gibt auch einen menschlichen Preis für diese Art von Arbeit, der oft unerwähnt bleibt. Ein Jahrzehnt des Lebens eines Wissenschaftlers ist ein hoher Preis für ein Stück Software. Das Team in Durham und seine internationalen Partner verbrachten Jahre damit, die „Sub-Grid“-Physik zu perfektionieren – die winzigen, granularen Details, die bestimmen, wie Sterne entstehen und sterben. Es ist eine mühsame Arbeit des Debuggens, Testens und Scheiterns, nur um ein Ergebnis zu erzielen, das, wenn es perfekt funktioniert, genau so aussieht, wie wir es bereits kennen. Es ist das ultimative Paradoxon der Wissenschaft: Man arbeitet zehn Jahre lang nur, um zu beweisen, dass die Welt genau so ist, wie man es vermutet hatte.

Ein Universum aus Mathematik

Eine der tiefgreifendsten Erkenntnisse des COLIBRE-Projekts ist die Bestätigung, dass unser Universum grundlegend mathematisch ist. Es ist etwas zutiefst Beunruhigendes – und vielleicht auch etwas Tröstliches – an der Tatsache, dass man grundlegende Gleichungen der Gravitation, Thermodynamik und Fluiddynamik in eine Maschine einspeisen und am Ende ein „Universum“ herausbekommen kann. Es legt nahe, dass die Komplexität, die wir sehen, wenn wir in die Milchstraße blicken, kein Zufall und kein Wunder ist; sie ist eine Unvermeidlichkeit. Wenn man die richtigen Zutaten und die richtigen Regeln hat, haben die Sterne keine andere Wahl, als sich zu formen.

Fürs Erste darf das Standardmodell einen weiteren Tag überleben. Es hat den ersten Kontakt mit dem James Webb Space Telescope überstanden, was zu einem großen Teil der Schwerstarbeit in jenem Keller in Durham zu verdanken ist. Wir leben vielleicht in einem Universum, das unordentlich, kalt und voller Staub ist, aber zumindest können wir endlich sagen, dass wir wissen, wie sich der Staub setzt. Und was die Dinge angeht, die die Simulation immer noch nicht erklären kann? Das sind die Teile, die die nächsten zweiundsiebzig Millionen Stunden des Wartens wert machen.