Lumina: Computersimulation zeigt die Entstehung des Universums so detailreich wie nie

Vor 13,8 Milliarden Jahren entstand durch den Urknall unser Universum. Aber wie entwickelten sich die ersten Galaxien und die Grundstruktur des Universums, das kosmische Netz? Astronomen verstehen das bislang nur in groben Zügen. Die bislang detailreichste Computersimulation des frühen Universums soll nun neue Erkenntnisse liefern.

Ein internationales Forschungsteam hat diese Simulation vorgestellt: Sie heißt Lumina, erstreckt sich über die ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall und umfasst das Hundertfache Volumen früherer Simulationen. So berichten es die Wissenschaftler im Fachblatt »Monthly Notices of the Royal Astronomical Society« .

Das Echo des Urknalls

Astronomen verstehen die kosmische Entwicklung bislang so: Etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall war die Materie im Kosmos so weit abgekühlt, dass sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen die Elemente Wasserstoff und Helium bildeten. Damit wurde der Weltraum zugleich durchsichtig für Licht. Die damals freigesetzte Strahlung empfangen wir noch heute als kosmische Hintergrundstrahlung, eine Art fernes Echo des Urknalls.

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Durch zufällige Schwankungen bildeten sich dichtere Ansammlungen der geheimnisvollen Dunklen Materie, die etwa 80 Prozent der Masse im Kosmos ausmacht. Die normale Materie, also in dem Fall Wasserstoff und Helium, wurde davon angezogen und bildete die ersten Sterne und Galaxien.

Die starke Strahlung der aufleuchtenden Sterne und sogenannter aktiver Galaxienkerne, also der Kernregionen um gigantische Schwarze Löcher, heizte das Gas in der kosmischen Umgebung auf und bremste so die Galaxienentstehung. Forscher nennen diese Phase die Reionisierung, weil die Strahlung den Wasserstoff- und Helium-Atomen im All Elektronen entriss und sie so wieder in Ionen verwandelte.

Lumina modelliert, wie Bestandteile des Universums interagieren

»Zu verstehen, wie Galaxien und aktive Galaxienkerne die Reionisierung des intergalaktischen Mediums im Laufe der kosmischen Zeit vorantreiben, bleibt eine zentrale Herausforderung der Kosmologie«, erklären Oliver Zier vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge und seine Kollegen. Dabei soll die Simulation Lumina helfen. Aber nicht allein. Es sind vor allem neue große Weltraumteleskope wie »James Webb« und »Nancy Grace Roman« , die den Forschern tiefe Einblicke in die Frühzeit des Universums liefern.

Während das »James Webb«-Teleskop bereits seit 2022 Daten und Bilder aus dem All sendet, nimmt das im August gestartete »Nancy Grace Roman«-Teleskop Anfang kommenden Jahres den wissenschaftlichen Betrieb auf. »Mit dem ›James Webb‹-Teleskop hat sich das frühe Universum zu einem aufregenden neuen Forschungsfeld der Astrophysik entwickelt«, sagt Forscher Zier. »Um zu verstehen, was wir mit diesem Teleskop beobachten, müssen wir unsere Theorien in detaillierte Vorhersagen umsetzen.« Und das sei eben die Aufgabe von Simulationen wie Lumina, so der Forscher.

Lumina modelliert, wie die fundamentalen Bestandteile des Universums – Gas, Dunkle Materie und Licht – interagieren und Sterne und Galaxien bilden. Sie ist zudem die erste Simulation, die nicht nur die Reionisierung von Wasserstoff, sondern auch die Helium-Reionisierung betrachtet und deren Auswirkungen auf das sich entwickelnde Universum unmittelbar im Modell zeigt. Mehr als 15.000 Grafikprozessoren auf einem der weltweit schnellsten Supercomputer – »Frontier« am Oak Ridge National Laboratory – treiben die Simulation an.

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Künftig können Forschende mit Lumina untersuchen, wie sich Wasserstoff und Helium zwischen den Galaxien bewegen, wie die Strahlung des Urknalls die kosmische Entwicklung prägte und wie sich Regionen intensiver Sternentstehung im Laufe der Zeit entwickelten. Einen weiteren Vorteil bietet das große Volumen, das Lumina erfasst. Darin zeigen sich erstmals auch sehr seltene Objekte, die zwar mit Teleskopen aufgespürt wurden, in Simulationen aber fehlten und den Astronomen deshalb Kopfzerbrechen bereiteten.