What’s Up, Doc? Über die Evolution von Kugelsternhaufen und das Verhalten binärer schwarzer Löcher

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In der Reihe What’s Up, Doc? stellen wir die Verfasserinnen und Verfasser von Dissertationen, die an der Leibniz Universität erarbeitet wurden, vor. Heute geht es um Cristián Maureira-Fredes’ Computersimulation der dynamischen Entwicklung von Sternen und schwarzen Löchern.

Jede Doktorarbeit, die an der Leibniz Universität, geschrieben wird, findet schließlich ihren Weg an die Universitätsbibliothek. Wir Bibliothekarinnen und Bibliothekare bestaunen oft die einfallsreichen, verzwickten, verblüffenden oder manchmal sogar bewegenden Themen, mit denen sich Promovierende jahrelang auseinandergesetzt haben. Dabei erlebten sie Höhen und Tiefen, haben mit ihrem Thema und ihrer persönlichen Entwicklung gehadert. All das halten wir dann symbolisch in unseren Händen. Und meistens lagern sie als Artefakte danach unbeachtet im Keller. Das möchten wir gern ändern. Wir haben einige Doktoren und Doktorinnen um ein Interview gebeten, sie gefragt, ob sie uns ihr Thema zugänglich machen könnten und wie sie sich an ihre Zeit als Promovierende erinnern.

Unser erster Beitrag war Eine monoton steigende Funktion aus dem Tal der Tränen über die Motivationsentwicklung im Mathestudium. Im  vorliegenden Beitrag nimmt uns Cristián Maureira-Fredes mit auf seine persönliche Reise als Doktorand. Sein Promotionsthema waren Computersimulationen rund um und in Sternenhaufen, zum Beispiel wie sich Gaswolken in der Nähe eines schwarzen Loches verhalten. Er betrachtete auch den besonderen Spezialfall sich in geringem Abstand gegenseitig umkreisender schwarzer Löcher, sogenannte binäre schwarze Löcher. Dafür hat er das Computerprogramm GraviDy entwickelt.

Bitte stellen Sie sich einmal vor.

Mein Name ist Cristián, und ich komme aus einer kleinen Stadt namens San Antonio in Chile. Im Jahr 2012 kam ich für sechs Monate nach Deutschland, um meine Masterarbeit in Informatik abzuschließen, in der ich mein Wissen bereits auf astrophysikalische Probleme anwenden konnte. Anschließend fragte mein Betreuer, ob ich am Max-Planck-Institut  für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm mit einer Doktorarbeit weitermachen wolle, was ich zusagte. Ende 2013 kehrte ich ein zweites Mal nach Deutschland zurück und lebe seitdem in Berlin.

Was machen Sie jetzt?

Während der gesamten Dissertationsphase habe ich mit numerischen Rechenverfahren, die in C++ geschrieben waren, gearbeitet. Eines habe ich sogar von Grund auf selbst geschrieben, GraviDy. Neben den numerischen Berechnungen habe ich große Datenmengen mit Python prozessiert. Derzeit arbeite ich als Softwareentwickler bei The Qt Company GmbH vorwiegend an einem Projekt, in welchem Pythonanbindungen an ein weithin bekanntes C++-Framework geschaffen werden sollen. Bei dieser Aufgabe werden die beiden Programmiersprachen, die ich in meiner Doktorarbeit verwendet habe, verknüpft, sodass diese Kenntnisse wirklich nützlich sind.

Würden Sie Ihre Doktorarbeit bitte für uns zusammenfassen?

In meiner Doktorarbeit ging es um die dynamische Evolution von Sternen und schwarzen Löchern unter verschiedenen Bedingungen. Da das Thema theoretisch und nicht experimentell war, arbeitete ich mit vielen Annahmen, nicht hingegen mit den Naturgesetzen. Zum einen befasste ich mich mit der Evolution von Kugelsternhaufen, sehr großen Mengen von Sternen, die sich nur unter Gravitationseinwirkungen entwickeln. Diese Systeme sind deshalb interessant, weil sie zusammenbrechen können und dabei binäre schwarze Löcher bilden können oder sogar ein schwarzes Loch beinhalten können.

Zum anderen untersuchte ich, wie sich binäre schwarze Löcher unter sich ändernden Bedingungen verhalten und wiederum die Eigenschaften eines Systems beeinflussen. In einfachen Worten: Beobachten, was passiert, wenn man weitere Sterne in kugel- oder scheibenförmiger Konstellation hinzufügt, oder schwarze Löcher sie verschlingen lässt, oder – noch unterhaltsamer – wenn man ihnen Gaswolken zuwirft, um zu sehen, wie sie reagieren! Hier gibt es Videos und weitere Informationen zu diesen Simulationen.

Was war die Motivation für das Thema?

Schon seit dem Beginn meines Informatikstudiums wollte ich reale Probleme anderer Gebiete lösen. Als ich ein Kind war, zeigte mein Vater mir immer den Himmel, brachte mir die Planeten- und Konstellationsnamen und so weiter bei. Ich schaute in meiner Kindheit Dokumentationen von Carl Sagan und Stephen Hawking, las Enzyklopädien, die mir die Eigenschaften unseres Sonnensystems und des Universums erklärten, und sah viele Science Fiction Filme und Serien. Während meines Grundstudiums spezialisierte ich mich in High Performance Computing. Als ich ein paar wissenschaftliche Artikel fand, die erläuterten, wie wir große Mengen von Teilchen mit Methoden des High Performance Computings berechnen können, war ich sehr glücklich. Das war der Moment, in dem ich beschloss, dass ich an astrophysikalischen Simulationen arbeiten möchte.

Wo verläuft die Grenze zwischen dem Anschaulichen, und was erscheint antiintuitiv, wenn wir von schwarzen Löchern reden?

Ich glaube, schwarze Löcher erscheinen wie eine “festgelegte Theorie” für viele Phänomene, die wir nicht erklären können, wie die Beobachtungen von Sternen, die sich um “so etwas wie ein Stern” bewegen, was jedoch unsichtbar für unsere Augen ist. Das ist eine ziemlich abstrakte Idee, und die formale Definition eines schwarzen Loches als “ein Ort im Raum, in dem die Gravitation so stark ist, dass nicht einmal Licht ihm entkommen kann” ist noch abstrakter. Darum ist das Konzept für Forschende und Science Fiction im Allgemeinen sehr attraktiv.

Ich bin wirklich froh, in der Ära der Gravitationswellen zu leben, und erinnere mich noch, wie aufgeregt ich über die Nachrichten war, dass LIGO die ersten Gravitationswellen einer Verschmelzung zweier stellarer schwarzer Löcher “beobachtet” hat. Ich glaube wahrhaftig daran, dass es für die Menschheit nur eine Frage der Zeit ist, mehr bezüglich all der theoretischen Gattungen von schwarzen Löchern in der aktuellen Forschungsliteratur herauszufinden. Jede neue Antwort wird die Grenze dessen, was vorstellbar und was antiintuitiv ist, verschieben.

Was sind binäre schwarze Löcher?

Wir sind uns fast sicher, dass jede Galaxie in ihrem Zentrum ein schwarzes Loch enthält, und da Galaxien im Universum herumwirbeln, treffen sie sich unweigerlich. Dann beginnen sie auf lange Sicht, sich gegenseitig zu beeinflussen. Irgendwann entsteht eine dynamische Verbindung zwischen den beiden zentralen schwarzen Löchern, von da an entwickeln sie sich gemeinsam weiter und verschmelzen hoffentlich sogar. Diese Verschmelzung ist sehr wichtig, weil dabei eine riesige Menge von Energie in Form von Gravitationswellen freigesetzt wird. Darüber brauche ich wegen all der Messungen dank LIGO wohl nichts weiter erzählen.

Eine gewagte Frage: Wie “fühlte” sich die Mathematik bezüglich dieses Modells “an”?

Um ehrlich zu sein war sie gar nicht besonders schwierig. Stellardynamik hat keine verrückten Integrale oder Formeln zum Wegrennen. Die meisten numerischen Methoden waren klar und als Programmiercode einfach umzusetzen. Ich denke, die wahre Herausforderung war die Implementierung einiger Post-Newton-Terme, da sich schnell Fehler einschleichen: Ein paar enthalten nicht zwei oder vier Zeilen auf normalem A4-Papier, sondern sind eine ganze Seite lang. Etwa 60 Zeilen von Code für einen einzigen Term war neu und einschüchternd für mich. Auf der anderen Seite gab es viele Formeln, in denen “zufällige” Werte und Konstanten historisch gewachsen waren, “weil sie das Ergebnis verbesserten”. Zumindest war das die Antwort einiger Leute. Vielleicht hätte ich bessere Mathekenntnisse gebraucht, um die Berechnungen in der Stellardynamik tiefgreifender zu verstehen [lacht].

Was war der denkwürdigste Moment während Ihrer Promotion?

Ich möchte nicht lügen, es war die stressigste Zeit meines Lebens (bisher), daher könnte es sein, dass schlimme Dinge noch schlimmer erschienen und gute Dinge großartig waren. Alles kleine Triumphe: gute Ergebnisse, meine ersten wissenschaftlichen Vorträge, angenommene Publikationen und sogar E-Mails von Menschen, die ausdrückten, meine Arbeit zu schätzen. Dadurch hatte ich das Gefühl, dass all die Anstrengung nicht umsonst war.

Meine Fähigkeiten als Informatiker auf ein Themengebiet wie Astrophysik anzuwenden, machte mich unter meinen Kolleginnen und Kollegen zu etwas Besonderem. Ich werde mich stets daran erinnern, wie mir viele Forschende gedankt haben, weil die Wissenschaft Leute mit meinem Hintergrund braucht, um die computertechnischen Aspekte in der Wissenschaft voranzubringen.

Der denkwürdigste Moment meiner Doktorarbeit war am Schluss, als ich nach meinen Vortrag in das Büro eines Gutachters gebeten wurde. Dort war die ganze Prüfungskommission versammelt, und sie gratulierten mir nacheinander zur bestandenen Prüfung. Jeder einzelne reichte mir die Hand und nannte mich “Herr Doktor”. Diesen Augenblick werde ich niemals vergessen.

Was würden Sie im Nachhinein anders machen?

Als ich mit meiner Forschung begann kannte ich nur ein paar “dokumentierte Definitionen” verschiedener astrophysikalischer Phänomene. Ich verbrachte mehr als ein Jahr damit, die Konzepte, Theorien und Modelle zu studieren, die meine Kolleginnen und Kollegen gewohnt waren und ohne Probleme diskutieren konnten. Ich bedaure, dass ich keine bessere Grundlage hatte, weil ich meine Zeit mehr Projekten hätte widmen und weitere Simulation hätte durchführen können. Obwohl es eine Herausforderung war, bereue ich es nicht, meine Dissertation in einem vollkommen neuen Thema geschrieben zu haben. Ein Thema, das ich noch immer faszinierend finde.

Welchen Rat möchten Sie Doktorandinnen und Doktoranden mit auf den Weg geben?

Geduld, Durchhaltevermögen und Unabhängigkeit. Meine Promotion zeugte von einem Wachstumsprozess, nicht nur aus akademischer Sicht. Ich brauchte viel Unabhängigkeit, um meine Projekte voranzubringen und das Leben in einem neuen Land zu bewältigen. Im Vergleich zum Grundstudium waren nicht alle Forschungspartnerinnen und -partner allzeit verfügbar. Ich habe viele Leute kennengelernt, die sich in dieser Zeit vollkommen verloren fühlten.

Ich war während meiner Forschung mit “wahren Fehlschlägen” konfrontiert: Ich verbrachte Monate mit Experimenten, die sich als vollkommen falsch erwiesen. Deswegen muss man Duchhaltevermögen mitbringen und jede Niederlage als Motivationsschub nach vorn betrachten.

Cristián Maureira-Fredes’ Dissertation steht frei zugänglich im institutionellen Repositorium der Leibniz Universität Hannover zur Verfügung.

Querido Cristián, ha sido un placer!  Muchas Gracias!

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