Als die ersten Sterne und Galaxien im Universum entstanden, brach die kosmische Morgendämmerung an: Die energiereiche Strahlung der jungen Sterne brachte Licht in den Kosmos und ionisierte den bis dahin neutralen Wasserstoff. Diese Epoche der Reionisierung schuf wichtige Voraussetzungen für die Entwicklung und das Wachstum der der ersten Galaxien. Doch wie genau die Galaxienbildung damals ablief und welche Faktoren dazu führten, dass die Milchstraße und andere Galaxien heranwuchsen, ist bislang erst in Teilen geklärt. Zwar liefert das kosmologische Standardmodell die „Leitplanken“ für diese Entwicklung. Doch einige Beobachtungen des James-Webb-Teleskops aus der Zeit kurz nach dem Urknall werfen Fragen auf. So scheinen einige frühe Galaxien überraschend massereich, zudem zeigen die Aufnahmen Phänomene wie die „Red Dots“, die bislang schwer erklärbar sind.
COLIBRE: kalte Gase und Staub inklusive
Um diese und weitere Fragen der kosmischen Entwicklung zu klären, spielen kosmologische Simulationen eine wichtige Rolle. Denn mit ihrer Hilfe können Astronomen austesten, ob die vom Standardmodell vorgegebenen Parameter ausreichen, um den Weg des Universums vom Urknall bis heute zu rekonstruieren – oder ob noch unerkannte, zusätzliche Einflüsse am Werk gewesen sein könnten. Das Problem jedoch: Hochauflösende Simulationen, die alle Einflussfaktoren berücksichtigen, benötigen eine enorme Rechenleistung. Sie konnten daher lange nur kleine Ausschnitte des Universums und seiner Entwicklung nachbilden. Simulationen, die größere Raumausschnitte umfassen, waren hingegen gröber, um die Rechenzeit zu begrenzen. Zudem ließen sie oft bestimmte, nur schwer zu modellierende Faktoren außer Acht. So simulierten sie nur heiße Gase und nicht die komplexeren Wechselwirkungen kalter Gase interstellarer Stabwolken. „Das meiste Gas in Galaxien ist kalt und staubig, doch frühere große Simulationen mussten dies ignorieren“, erklärt Projektleiter Joop Schaye von der Universität Leiden.
Doch das hat sich nun geändert: „Mit COLIBRE bringen wir diese essenziellen Komponenten nun mit ins Bild“, erklärt Schaye. COLIBRE ist eine kosmologische hydrodynamische Simulation, die dank jüngster Fortschritte bei Algorithmen und Supercomputern eine umfassendere Rekonstruktion der chemischen und physikalischen Bedingungen während der Galaxienbildung und -entwicklung erlaubt. Entwickelt wurden die zugrundeliegenden Modelle von einem internationalen Forschungsteam über die letzten zehn Jahre hinweg. Dadurch kann COLIBRE auch kalte Gase und Staubkörner sowie ihren Einfluss auf das Geschehen nachvollziehen. Die Simulation reproduziert die Prozesse in drei verschiedenen Volumina des Kosmos und Auflösungen und umfasst dabei insgesamt rund 20-mal mehr Partikel als vergleichbar große Simulationen zuvor, wie Schaye und seine Kollegen erklären. Der Rechenaufwand war beträchtlich: Die größte Simulation erforderte 72 Millionen CPU-Stunden.
