Wie hat sich unser Universum entwickelt? Welche Faktoren prägten die Verteilung und Struktur von Materie im All? Um diese Fragen zu beantworten, nutzen Astrophysiker kosmologische Simulationen. In ihnen lässt sich die Entwicklung des Kosmos und seiner Strukturen wie im Zeitraffer nachvollziehen. Stimmen die Resultate solcher Simulationen mit astronomischen Beobachtungen überein, bestätigt dies die theoretischen Modelle. Gibt es hingegen Abweichungen, könnte dies auf Lücken oder Fehler in den Modellen hindeuten.
Tatsächlich haben Teleskope wie das James-Webb-Weltraumteleskop, ALMA oder Euclid in den letzten Jahren einige Beobachtungen gemacht, die sich schwer mit gängigen Modellen erklären lassen. Dazu gehören ungewöhnlich viele massereiche, helle Galaxien, Protocluster und Quasare schon wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. „Das wirft die Frage auf, wie diese Systeme ihre stellaren Massen mit dem damals verfügbaren Baryon-Budget ansammeln konnten“, erklären Oliver Zier vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics in den USA und seine Kollegen.
Wie lief die kosmische Morgendämmerung ab?
Ebenfalls noch offen ist der Ablauf der Reionisierung. Nachdem die ersten Sterne und Galaxien entstanden, schlug ihre intensive Strahlung Elektronen aus dem zuvor neutralen Wasserstoff- und Heliumgas des intergalaktischen Mediums. Es bildeten sich ausdehnende Bereiche ionisierten Gases, die erstmals auch kurzwelligere UV-Strahlung durchließen – erst damit war der Übergang vom „Dunklen Zeitalter“ unseres Universums zur „kosmischen Morgendämmerung“ vollends abgeschlossen.
Doch diese Epoche der Reionisierung ist nur schwer zu modellieren, wie die Astronomen erklären: Man benötigt eine ausreichend hohe Auflösung, um die Quellen der ionisierenden Strahlung abzubilden, man muss die Ausbreitung dieser Strahlung und die fleckige Verteilung der Ionisierung modellieren und das Volumen der Simulation muss groß genug sein, um auch seltene Prozesse und lokale Unterschiede zu erfassen.
Zustand des Heliums während der Epoche der Reionisierung: Türkisfarbene Zonen kennzeichnen die Regionen des frühen Kosmos, in denen das Heliumgas bereits in seinen heutigen ionisierten Zustand umgewandelt wurde. — © Oliver Zier, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
Ein Würfel von 1,5 Milliarden Lichtjahren Kantenlänge
Jetzt gibt es erstmals eine Simulation, die genau dies ermöglicht: Zier und sein Team haben dafür die bislang größte kosmologische Strahlungs-Hydrodynamik-Simulation entwickelt und durchgeführt. Sie rekonstruiert auf Basis physikalischer Gesetzmäßigkeiten, wie Strahlung, Gase und Dunkle Materie in den ersten zwei Milliarden Jahren nach dem Urknall miteinander wechselwirkten und kosmische Strukturen hervorbrachten. Dafür kombinierte das Team Daten der IllustrisTNG-Simulation zur Galaxienentwicklung mit verbesserten Rekonstruktionen des Gas- und Strahlungsverhaltens im frühen Kosmos.
Der von der neuen „Lumina“-Simulation simulierte Raumausschnitt entspricht einem Würfel mit einer Kantenlänge von rund 1,6 Milliarden Lichtjahren – das ist ein mehr als 100-mal größeres Raumvolumen als bei vergleichbaren Simulationen, wie Zier und seine Kollegen erklären. In diesem Volumen zeigt das Modell Interaktionen und Entwicklung von mehr als 432 Milliarden einzelnen Elementen. Möglich war dies nur durch die Rechenleistung des Frontier-Supercomputers am Oak Ridge National Laboratory in den USA – einem der schnellsten Supercomputer der Welt.
Reionisierung: Erst Wasserstoff, dann Helium
Die Lumina-Simulation liefert neue Einblicke darin, wie die kosmische Morgendämmerung ablief und das frühe Universum seine Strukturen ausbildete. „Zum ersten Mal können wir verfolgen, wie sich Wasserstoff und Helium in einem großen Raumvolumen in ihre heutigen Zustandsformen verwandelten“, sagt Co-Autor Aaron Smith von der University of Texas in Dallas. „Gleichzeitig können wir detailliert sehen, wie Galaxien und andere Strahlenquellen diesen Wandel vorantreiben.“
Konkret zeigt Lumina unter anderem, dass die Epoche der Reionisierung in zwei Schritten ablief: Zuerst ionisierte die Strahlung der Sterne und Galaxien den interstellaren Wasserstoff. Diese Umwandlung war vor rund 12,6 Milliarden Jahren weitgehend abgeschlossen, es blieben nur kleinere Reste neutralen Wasserstoffs, wie Zier und sein Team berichten. Dann erst folgte die Ionisierung des Heliums. Urheber dafür waren nicht Sterne, sondern die starke Röntgenstrahlung aktiver Schwarzer Löcher im Zentrum der frühen Galaxien. Diese Helium-Ionisierung war erst vor rund 11,7 Milliarden Jahren abgeschlossen.
Dieser rund 489 Millionen Lichtjahre große Ausschnitt aus der Lumina-Simulation zeigt den Zustand des Kosmos vor rund 12.3 Milliarden Jahren. Die Farben kennzeichnen die Dichte und den Ionisierungszustand des intergalaktischen Heliums um frühe Galaxiencluster, die Ausschnittvergrößerungen zeigen Gasdichte und Form von vier frühen Galaxien. — © Zier et al.,/ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, CC-by 4.0
Neues Werkzeug für die Astronomie
Nach Ansicht der Astronomen bestätigen diese ersten Resultate, dass die Lumina-Simulation hochauflösend und gleichzeitig umfangreich genug ist, um die Entstehung von Galaxien und die komplexen Vorgänge bei der kosmischen Reionisierung detailliert nachzubilden. Die Simulation könnte dadurch helfen, theoretische Modelle zur Entwicklung des Universums und den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten zu überprüfen.
Die Lumina-Simulation kann aber auch dazu beitragen, schwer erklärbare astronomische Beobachtungen näher zu beleuchten, beispielsweise vom James-Webb-Teleskop, vom erst kürzlich gestarteten Roman-Weltraumteleskop und anderen Teleskopen.
https://wissenschaft.de/artikel/roman-weltraumteleskop-was-kann-das-neue-auge-im-all
Quelle: Oliver Zier (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Cambridge, Massachusetts) et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2026; doi: 10.1093/mnras/stag1469
