Wie entstanden die ersten Galaxien im Kosmos? Und welche Faktoren bestimmten ihre weitere Entwicklung? Bisher können Astronomen mithilfe von Teleskopen nur Schnappschüsse dieser kosmischen Entwicklung beobachten – und einige frühe Phänomene bleiben rätselhaft. Eine neue kosmologische Simulation bringt nun mehr Licht ins Dunkel. Denn sie reproduziert die Entwicklung unseres Universums vom Urknall bis heute hochauflösender und umfassender als bisher. Die resultierenden Strukturen, vom kosmischen Netzwerk bis zu Details einzelner Galaxien, stimmen gut mit den astronomischen Beobachtungen und den Gesetzmäßigkeiten des kosmologischen Standardmodells überein. Einige rätselhafte Phänomene können aber auch diese Simulationen nicht klären.
Als die ersten Sterne und Galaxien im Universum entstanden, brach die kosmische Morgendämmerung an: Die energiereiche Strahlung der jungen Sterne brachte Licht in den Kosmos und ionisierte den bis dahin neutralen Wasserstoff. Diese Epoche der Reionisierung schuf wichtige Voraussetzungen für die Entwicklung und das Wachstum der der ersten Galaxien. Doch wie genau die Galaxienbildung damals ablief und welche Faktoren dazu führten, dass die Milchstraße und andere Galaxien heranwuchsen, ist bislang erst in Teilen geklärt. Zwar liefert das kosmologische Standardmodell die „Leitplanken“ für diese Entwicklung. Doch einige Beobachtungen des James-Webb-Teleskops aus der Zeit kurz nach dem Urknall werfen Fragen auf. So scheinen einige frühe Galaxien überraschend massereich, zudem zeigen die Aufnahmen Phänomene wie die „Red Dots“, die bislang schwer erklärbar sind.
COLIBRE: kalte Gase und Staub inklusive
Um diese und weitere Fragen der kosmischen Entwicklung zu klären, spielen kosmologische Simulationen eine wichtige Rolle. Denn mit ihrer Hilfe können Astronomen austesten, ob die vom Standardmodell vorgegebenen Parameter ausreichen, um den Weg des Universums vom Urknall bis heute zu rekonstruieren – oder ob noch unerkannte, zusätzliche Einflüsse am Werk gewesen sein könnten. Das Problem jedoch: Hochauflösende Simulationen, die alle Einflussfaktoren berücksichtigen, benötigen eine enorme Rechenleistung. Sie konnten daher lange nur kleine Ausschnitte des Universums und seiner Entwicklung nachbilden. Simulationen, die größere Raumausschnitte umfassen, waren hingegen gröber, um die Rechenzeit zu begrenzen. Zudem ließen sie oft bestimmte, nur schwer zu modellierende Faktoren außer Acht. So simulierten sie nur heiße Gase und nicht die komplexeren Wechselwirkungen kalter Gase interstellarer Stabwolken. „Das meiste Gas in Galaxien ist kalt und staubig, doch frühere große Simulationen mussten dies ignorieren“, erklärt Projektleiter Joop Schaye von der Universität Leiden.
Doch das hat sich nun geändert: „Mit COLIBRE bringen wir diese essenziellen Komponenten nun mit ins Bild“, erklärt Schaye. COLIBRE ist eine kosmologische hydrodynamische Simulation, die dank jüngster Fortschritte bei Algorithmen und Supercomputern eine umfassendere Rekonstruktion der chemischen und physikalischen Bedingungen während der Galaxienbildung und -entwicklung erlaubt. Entwickelt wurden die zugrundeliegenden Modelle von einem internationalen Forschungsteam über die letzten zehn Jahre hinweg. Dadurch kann COLIBRE auch kalte Gase und Staubkörner sowie ihren Einfluss auf das Geschehen nachvollziehen. Die Simulation reproduziert die Prozesse in drei verschiedenen Volumina des Kosmos und Auflösungen und umfasst dabei insgesamt rund 20-mal mehr Partikel als vergleichbar große Simulationen zuvor, wie Schaye und seine Kollegen erklären. Der Rechenaufwand war beträchtlich: Die größte Simulation erforderte 72 Millionen CPU-Stunden.
(Video: COLIBRE Simulations)
Übereinstimmung mit astronomischen Beobachtungen
Jetzt liegen erste Ergebnisse vor. „Es ist begeisternd zu sehen, wie im Computer Galaxien entstehen, die von ihren realen Vorbildern kaum unterscheidbar sind“, sagt Co-Autor Carlos Frenk von der Durham University. Die COLIBRE-Simulationen zeigen eine kosmische Entwicklung, die gut zu den Beobachtungsdaten passt, beispielsweise in Bezug auf die Zahl, Größen, Leuchtkraft oder Farben der entstandenen Galaxien. „Ich habe deshalb meine Kollegen sogar aus Spaß gefragt: Aus welchem Galaxienkatalog kommen diese Aufnahmen?“, erzählt Frenk. „COLIBRE demonstriert, dass Modelle besser mit dem übereinstimmen, was wir sehen, wenn wir auch die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse realistischer nachbilden.“ Dies gelte insbesondere für die Integration von kaltem Gas, Staub und den von Sternen und Schwarzen Löchern verursachten Ausströmen.
Die neue COLIBRE-Simulation demonstriert auch, dass die im Kosmos beobachteten Galaxien und Phänomene durch das kosmologische Standardmodell erklärt werden können – auch einige der frühen, vermeintlich zu massereichen Galaxien. „Einige Resultate des Webb-Teleskops schienen dem Standardmodell zu widersprechen“, sagt Co-Autor Evgenii Chaikin von der Universität Leiden. Doch auch sie ließen sich mit der COLIBRE-Simulation reproduzieren. Damit erweist sich die neue Simulation auch als hilfreiches Werkzeug, um Hypothesen und Theorien zu überprüfen, wie die Forschenden erklären.
Allerdings: Auch die COLIBRE-Simulationen können nicht alle rätselhaften Phänomene des frühen Kosmos erklären. So tauchen beispielsweise die vom Webb-Teleskop detektierten „Little Red Dots“ – rote Lichtpunkte aus der Zeit wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall – in der Simulation nicht auf. Was diese Objekte sind, ist bislang unklar. Astronomen vermuten jedoch, dass es sich um die Vorläufer späterer supermassereicher Schwarzer Löcher handelt. Schaye und sein Team hoffen, dass sich auch dieses Rätsel durch COLIBRE noch lösen lässt. Denn die Simulationen mit der höchsten Auflösung laufen noch. Ihre Berechnung wird erst im Herbst 2026 abgeschlossen sein.
Quelle: Joop Schaye (Leiden University) et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, doi: 10.1093/mnras/stag375
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