Kaltes Gas und Staub erklären neu, wie Galaxien entstanden sind: Standardmodell der Kosmologie erneut bestätigt

Als das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) vor wenigen Jahren seinen Betrieb aufnahm, geriet das etablierte Bild vom Universum, das Standardmodell der Kosmologie, ins Wanken. Beobachtungen schienen nicht zu bisherigen Simulationen zu passen, manche Forschende spekulierten bereits über neue physikalische Gesetze.

Nun zeichnet sich jedoch ein anderes Bild ab. Eine internationale Kooperation unter Leitung der Universität Leiden zeigt, dass das kosmologische Standardmodell weiterhin Bestand hat – sofern entscheidende physikalische Prozesse realistisch berücksichtigt werden. Die Grundlage dafür liefert das Simulationsprojekt COLIBRE. Die neue Generation virtueller Universen kann die Entstehung und Entwicklung von Galaxien so detailreich abbilden wie nie zuvor.

Was frühere Modelle übersehen haben

Ein zentraler Fortschritt liegt darin, dass kaltes Gas und kosmischer Staub nun berücksichtigt werden. Beide wurden in älteren Simulationen nur unzureichend erfasst, obwohl sie für die Sternentstehung von größter Bedeutung sind.

„Im Gegensatz zu früheren Simulationen kann COLIBRE das kalte Gas und den kosmischen Staub innerhalb von Galaxien modellieren“, erklärt Sylvia Ploeckinger vom Institut für Astrophysik der Universität Wien. Mit deutlich gesteigerter Rechenleistung gelingt es nun, reale Beobachtungen erstaunlich genau nachzubilden, sowohl aus der Frühzeit des Universums als auch aus der Gegenwart.

Die kalte Seite von Galaxien

Besonders innovativ ist die Fähigkeit von COLIBRE, extrem kalte Gaszustände zu simulieren. Frühere Modelle scheiterten daran, dass Vorgänge unterhalb von etwa 10.000 Grad zu komplex waren, um sie abzubilden.

Dabei entstehen Sterne gerade in kälteren Regionen. COLIBRE integriert erstmals die physikalischen und chemischen Mechanismen, die diese Abkühlung und die anschließende Molekülbildung ermöglichen. „COLIBRE ist ein Simulationsprojekt, das Galaxien in all ihren Phasen abbildet, gerade auch ihre kalte Seite: Wir können sehen, wie Gas abkühlt, Moleküle bildet und schließlich neue Sterne entstehen“, erklärt Ploeckinger. „Das ist ein großer Fortschritt für großskalige Galaxiensimulationen.“

Winzige Teilchen mit großer Wirkung

Neben Gas spielt auch Staub eine wichtige Rolle, denn die mikroskopisch kleinen Partikel beeinflussen maßgeblich die physikalischen Bedingungen innerhalb von Galaxien.

Durch die genaue Nachbildung solcher Effekte lassen sich mit COLIBRE Simulationen direkt mit astronomischen Daten vergleichen. Auch technisch werden neue Maßstäbe gesetzt, indem moderne Algorithmen und leistungsfähige Rechner eine bis zu zwanzigmal höhere Auflösung als frühere Simulationen erreichen.

Das erlaubt nicht nur detailliertere Einblicke, sondern auch die Untersuchung größerer kosmischer Volumina. Selbst die Verteilung dunkler Materie wird besser dargestellt, wodurch frühere Verzerrungen reduziert werden.

Modell bestätigt – mit Einschränkungen

Die Untersuchungen ergaben, dass das Standardmodell weiterhin mit vielen Beobachtungen übereinstimmt, selbst mit solchen, die zuvor problematisch waren. „Ein großer Teil des Gases in Galaxien ist kalt und staubig, aber die meisten früheren großen Simulationen mussten dies ignorieren“, sagt Projektleiter Joop Schaye von der Universität Leiden.

Auch scheinbar widersprüchliche Daten lassen sich nun einordnen. „Einige frühe JWST-Ergebnisse schienen das Standardmodell der Kosmologie infrage zu stellen“, sagt Mitautor Evgenii Chaikin von der Universität Leiden. „COLIBRE zeigt, dass das Modell mit dem, was wir sehen, vereinbar bleibt, sobald zentrale physikalische Prozesse realistischer dargestellt werden.“

Trotz aller Fortschritte bleibt das Universum zuweilen rätselhaft. Ein Beispiel sind die sogenannten Little Red Dots, ungewöhnliche Objekte aus den JWST-Daten, die bisher von COLIBRE nicht reproduziert werden. Vermutlich handelt es sich um frühe Stadien supermassereicher Schwarzer Löcher, deren Entstehung noch nicht vollständig verstanden ist. „Ihre Entstehung zu modellieren, erfordert Simulationen mit noch höherer Auflösung und neuer Physik – da liegt also noch viel Arbeit vor uns“, sagt Ploeckinger.

Universum zum Sehen – und Hören

Über die reine Forschung hinaus setzt das Projekt auch neue Maßstäbe in der Vermittlung, denn die Simulationen können neuerdings nicht nur visuell erkundet werden, sondern auch akustisch. Sogenannte sonifizierte Videos übersetzen physikalische Vorgänge in Klang. Ergänzt werden sie durch interaktive Karten, die es Nutzerinnen und Nutzern möglich machen, selbst durch die virtuellen Universen zu navigieren.

„Diese Werkzeuge könnten neue Einblicke liefern, unser Fach zugänglicher machen und uns helfen, ein Gefühl dafür zu entwickeln, wie Galaxien wachsen und sich entwickeln“, sagt James Trayford von der University of Portsmouth, welcher die Entwicklung des Staubmodells sowie die Sonifizierung der Visualisierungen leitete. So wird aus abstrakter Kosmologie eine erfahrbare Reise durch Raum und Zeit.

Quellenhinweis:

Schaye et al. (2026): The COLIBRE project: cosmological hydrodynamical simulations of galaxy formation and evolution. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Chaikin et al. (2026): COLIBRE: calibrating subgrid feedback in cosmological simulations that include a cold gas phase. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.