Wie sah das Universum aus, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden? Forschende haben mithilfe einer gewaltigen Computersimulation versucht, in die Vergangenheit zurückzublicken.
Ihr Projekt mit dem Namen Lumina erzählt die ersten zwei Milliarden Jahre der Geschichte des Universums. Die Berechnung beginnt etwa 45 Millionen Jahre nach dem Urknall, in einer Zeit, in der Sterne den Raum noch nicht erleuchtet hatten. Anschließend verfolgt sie die Entstehung der ersten Galaxien und deren Entwicklung.
Visualisierung der Struktur der Materie und der ionisierten Regionen des Universums in der Lumina-Simulation.
Quelle: Lumina-Kollaboration.
Die Größenordnung ist schwindelerregend. Das untersuchte Gebiet ist ungefähr 1,6 Milliarden Lichtjahre groß. In diesem gigantischen Raum verfolgt der Computer die Bewegungen des Gases, die Auswirkungen der Dunklen Materie, die Entstehung der Sterne und das von ihnen erzeugte Licht. Insgesamt verwendeten die Forschenden fast 500 Milliarden kleine Rechenelemente.
Zu Beginn ist die Materie nahezu gleichmäßig verteilt. Nach und nach sammeln die Gravitation und die Dunkle Materie das Gas. Dichtere Regionen entstehen und bringen schließlich Galaxien hervor. Die Simulation ermöglicht es, diese Entwicklung in großem Maßstab zu betrachten oder sich einer bestimmten Galaxie zu nähern.
Die Forschenden wollten außerdem verstehen, wie das Universum für einen großen Teil des Lichts durchsichtig wurde. Nach der Entstehung der ersten Atome war der Raum mit Wasserstoff gefüllt, der bestimmte Lichtarten absorbierte. Die ersten Sterne sendeten genügend Strahlung aus, um dieses Gas allmählich zu verändern und dem Licht eine freiere Ausbreitung zu ermöglichen.
Karte der Schwankungen von gewöhnlicher Materie und Dunkler Materie unter den Anfangsbedingungen der Lumina-Simulation. Die weißen Linien zeigen die relativen Bewegungen der beiden Komponenten.
Quelle: Lumina-Kollaboration.
Ein ähnliches Phänomen erfasste anschließend das Helium. Den Berechnungen zufolge lieferten vor allem aktive riesige Schwarze Löcher im Zentrum bestimmter Galaxien das erforderliche energiereiche Licht. Lumina ermöglicht es, diese beiden großen Veränderungen in einer einzigen Simulation zu untersuchen.
Für diese Arbeit verwendeten die Wissenschaftler Frontier, einen der leistungsfähigsten Supercomputer der Welt. Außerdem veröffentlichten sie Videos, die die Entstehung der Galaxien und die Entwicklung des Gases im Raum zeigen.
Diese Bilder stellen dar, was sich mithilfe der physikalischen Gesetze und des aktuellen Wissens berechnen lässt. Die Forschenden können ihre Ergebnisse nun mit den Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops und anderer Instrumente vergleichen, um festzustellen, ob ihre Rekonstruktion mit dem realen Universum übereinstimmt.