Was Zwerggalaxien über das frühe Universum und seine Startbedingungen verraten

Ultraschwache Zwerggalaxien, kleine Begleiter der Milchstraße, stammen aus der Frühzeit des Kosmos. Nun zeigt eine neue Studie, dass sie sogar die Bedingungen, die im jungen Universum vorherrschten, widerspiegeln könnten.

Forschende des Oskar Klein Centre in Stockholm haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine bisher beispiellose Simulationsreihe durchgeführt, anhand derer sie genau untersuchen können, wie Zwerggalaxien entstehen und sich entwickeln.

„In dieser Arbeit präsentieren wir eine völlig neue Reihe kosmologischer Simulationen, die sich auf die lichtschwächsten Galaxien im Universum konzentrieren – mit einer bisher unerreichten Auflösung“, erklärt Studienleiterin Azadeh Fattahi. „Dies ist bei weitem die größte Stichprobe solcher Galaxien, die jemals in dieser Detailtiefe simuliert wurde.“

Extreme Bedingungen, fragile Systeme

Zwerggalaxien sind die kleinen Verwandten der Milchstraße. Sie entstehen in Halos aus Dunkler Materie, also unsichtbaren, kugelförmigen Gebilden, die Galaxien und Galaxienhaufen umgeben. Die kleinsten Vertreter, die ultraschwachen Zwerggalaxien, sind jedoch extrem: Sie besitzen oft nur einen Millionstel der Masse der Milchstraße. Ihre geringe Größe macht sie besonders anfällig für den Einfluss ihrer Umgebung – und gleichzeitig schwer nachzubilden.

„Aufgrund ihrer geringen Größe waren sie bisher sehr schwierig zu simulieren“, sagt Fattahi. Die neuen Simulationen markieren daher einen entscheidenden Fortschritt, indem sie erstmals eine systematische Untersuchung darüber erlauben, wie diese Galaxien entstehen und sich über Milliarden Jahre hinweg verändern.

Blick in die Vergangenheit

Zur Veranschaulichung ziehen die Forschenden einen Vergleich heran. „Eine hilfreiche Analogie sind Pflanzen und Nutzpflanzen, deren Wachstum stark von den Wetterbedingungen abhängt“, erklärt Hauptautor Shaun Brown. „So wie die Ernte im Sommer Rückschlüsse auf das Wetter im Frühling zulässt, können die Eigenschaften lichtschwacher Zwerggalaxien heute viel über die Bedingungen im frühen Universum verraten.“

Im Mittelpunkt der Studie stand die Frage, wie sich unterschiedliche Annahmen über die Strahlungsbedingungen kurz nach dem Urknall auf die Entwicklung dieser Galaxien auswirken. „Wir haben zwei verschiedene Annahmen über die Eigenschaften des frühen Universums untersucht, als es weniger als 500 Millionen Jahre alt war“, so Brown.

Dabei kam heraus, dass, während große Galaxien wie die Milchstraße relativ unempfindlich auf frühe kosmische Bedingungen reagieren, die kleinsten Systeme eine extreme Sensibilität zeigen. „Wir haben festgestellt, dass diese kleinen, ultraschwachen Galaxien sehr empfindlich auf solche Veränderungen reagieren“, sagt Brown.

„Für die kleinsten Galaxien entscheiden die frühen Bedingungen darüber, ob sie sichtbare Galaxien werden – oder sternlose Halos aus Dunkler Materie bleiben.“ Dadurch archivieren die unscheinbaren Zwerggalaxien wertvolle Informationen aus einer Zeit, die sich heute nicht mehr direkt beobachten lässt.

Neue Beobachtungen geplant

Die Erforschung von Zwerggalaxien könnte schon bald erheblich vorangetrieben werden, wobei große Hoffnungen auf dem Vera C. Rubin Observatory ruhen. „Unsere Arbeit deutet darauf hin, dass diese Beobachtungen des sehr lokalen Universums uns helfen können zu verstehen, wie das Universum in seiner Kindheit aussah“, so Fattahi.

Die Simulationen liefen über mehr als sechs Monate und erzeugten rund 300 Terabyte an Daten. „Diese Simulationen sind extrem anspruchsvoll und sowohl zeitlich als auch rechnerisch sehr teuer“, sagt Fattahi. Durchgeführt wurden sie größtenteils auf einem britischen Hochleistungsrechner. Die enorme Datenmenge erforderte zudem neue Algorithmen zur Auswertung.

Künftig will das Forschungsteam die Simulationen nutzen, um weitere offene Fragen zu klären, etwa zur Dunklen Materie oder zur Entstehung der ersten Sterne im Universum.

Quellenhinweis:

Brown, S. T., Fattahi, A., Gutcke, T. A., Ploeckinger, S., Sureda, J., Bose, S., Doppel, J. E., Pakmor, R., & Jenkins, A. (2026): LYRA ultra-faints: the emergence of faint dwarf galaxies in the presence of an early Lyman–Werner background. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 548, 2, stag439.