Lumina simuliert die Anfänge des Universums größer und detaillierter als alles zuvor
Wie sind die ersten Galaxien entstanden, und wie haben Licht und Materie das junge Universum verändert? Eine neue Supercomputersimulation namens Lumina bildet die kosmischen Entwicklungen in bisher beispielloser Größenordnung ab. Für Astronomen ergeben sich nun völlig neue Möglichkeiten, Theorien zum frühen Universum zu testen.
Das Universum in seiner frühesten Entwicklungsphase stellt die Astronomie vor grundlegende Fragen. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) und zukünftig auch das Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop können immer tiefer in diese Epoche blicken. Um die neuen Daten richtig einzuordnen, haben Forschende vom Center for Astrophysics von Harvard & Smithsonian nun die Simulation Lumina entwickelt.
Die Simulation bildet nach, wie sich gewöhnliche Materie, Dunkle Materie und Strahlung während der ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall gegenseitig beeinflusst haben. Das Modell soll auch erklären, wie Galaxien entstanden sind und sich kosmische Strukturen entwickelt haben. Die Arbeit wurde in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
„Mit JWST ist das frühe Universum zu einer aufregenden neuen Grenze der Astrophysik geworden“, sagt Hauptautor Dr. Oliver Zier vom Institute for Theory and Computation. Um die Beobachtungen zu verstehen, müsse man Theorien in detaillierte Vorhersagen übersetzen. Nach Jahren der Arbeit sei es „unglaublich zufriedenstellend“, die Ergebnisse zu sehen und sie in Videos zum Leben erwachen zu lassen.
Wasserstoff und Helium
Nach Angaben des Forschungsteams ist Lumina die bisher größte kosmologische Strahlungs-Hydrodynamik-Simulation. Solche Modelle zeigen, wie Gas, Dunkle Materie und Licht miteinander wechselwirken und dadurch Sterne und Galaxien entstehen.
Die Simulation umfasst einen würfelförmigen Bereich mit rund 1,5 Milliarden Lichtjahren Kantenlänge. Damit ist das simulierte Raumvolumen mehr als hundertmal größer als bei vergleichbaren früheren Berechnungen.
Erstmals wird die Reionisierung von Helium in dieser Größenordnung erfasst, und es wird geprüft, wie sie sich unmittelbar im frühen Universum auswirkte.
Bei der Reionisierung werden neutrale Atome durch energiereiche Strahlung ionisiert. Dadurch wurden die Eigenschaften des Gases zwischen den frühen Galaxien entscheidend verändert. Lumina verfolgt sowohl, wie sich Wasserstoff als auch Helium veränderte, und bildet gleichzeitig jene Galaxien ab, deren Strahlung diese Veränderungen bewirken.
„Zum ersten Mal können wir verfolgen, wie sowohl Wasserstoff als auch Helium in einem derart riesigen Volumen des Universums ihre heutige Form annahmen, während wir gleichzeitig die Galaxien und andere leuchtende Objekte auflösen, die diese Umwandlung vorantreiben“, erklärt Physikprofessor Aaron Smith von der University of Texas at Dallas.
Supercomputer erlaubt neue Forschung
Für Lumina nutzte das Team mehr als 15.000 Grafikprozessoren des Supercomputers Frontier am Oak Ridge National Laboratory im US-Bundesstaat Tennessee. Mit der Rechenleistung konnte ein riesiges Raumgebiet mit genügend Detailtiefe modelliert werden, sodass auch untersucht werden konnte, wie Sterne, Galaxien und Schwarze Löcher entstehen.
Künftig soll anhand von Lumina überprüft werden, ob Theorien reale astronomische Beobachtungen ausreichend gut erklären können. Stimmen Simulation und Messdaten nicht überein, könnten nämlich noch weitere Prozesse oder unvollständige Annahmen dahinterstecken. Mit Lumina lassen sich dann also grundlegende Vorstellungen über das frühe Universum testen.
Artikelreferenz
Zier, O., Smith, A., Shen, X., Liu, R., Kannan, R., et al. (2026). Introducing the lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.