Wissenschaftler des Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian haben am 26. Oktober 2026 Lumina vorgestellt, eine rekordverdächtige Simulation der ersten zwei Milliarden Jahre des Universums. Das Modell nutzt den Frontier-Supercomputer, um die Reionisierung von Wasserstoff und Helium in einem Volumen zu analysieren, das 100-mal größer ist als bei früheren Simulationen.
Die Differenz zwischen den kleinsten und größten Skalen, die wir simulieren, ist größer als in jeder anderen Simulation, erklärt Mark Vogelsberger. Mit dieser Aussage beschreibt er den Kern von Lumina: Ein digitales Nachbild des frühen Kosmos, das gleichzeitig die Entstehung einzelner Galaxien und die großräumige Struktur des Universums abbildet.
Frontier-Supercomputer und die Skalierung des Kosmos
Um die enorme Rechenlast zu bewältigen, setzte das Team auf den Frontier-Supercomputer am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Die Simulation umfasst einen virtuellen Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 1,5 bis 1,6 Milliarden Lichtjahren, was einem Volumen von 500 Megaparsec entspricht. Damit übertrifft Lumina vergleichbare Modelle in ihrer räumlichen Ausdehnung um das Hundertfache.
Die technische Umsetzung erforderte eine massive Hardware-Infrastruktur. Laut den beteiligten Forschern kamen für die Berechnungen mehr als 15.000 Grafikprozessoren (GPUs) und das Äquivalent von über 100.000 CPU-Kernen zum Einsatz. Xuejian Shen betont die Komplexität dieser Koordination:.
Alle diese Prozessoren effizient kommunizieren zu lassen, während kontinuierlich Billionen von interagierenden Informationen weiterentwickelt werden, ist an sich eine außergewöhnliche Leistung der Computertechnik.
Xuejian Shen, Co-Autor am Massachusetts Institute of Technology
Das Modell basiert auf einer Weiterentwicklung des IllustrisTNG-Codes. Durch die Verfeinerung dieses Codes konnte die Auflösung im Vergleich zu IllustrisTNG etwa um den Faktor 30 gesteigert werden, während gleichzeitig ein weitaus größeres Volumen abgedeckt wird.
Die Reionisierung von Wasserstoff und Helium
Lumina beginnt seine Simulation etwa 45 Millionen Jahre nach dem Urknall, mitten in den sogenannten Dunklen Zeitaltern. In dieser Phase dominierte neutraler Wasserstoff den Kosmos und blockierte die Ausbreitung von Licht. Das Modell verfolgt nun zwei fundamentale Transformationen:.
- Wasserstoff-Reionisierung: Frühe Sterne und Galaxien strahlten ultraviolettes Licht aus, das Elektronen aus neutralem Wasserstoff löste und den Raum für Photonen durchlässig machte.
- Helium-Reionisierung: Dieser Prozess geschah später und erforderte energiereicheres Licht, das primär von Quasaren – supermassereichen, aktiven schwarzen Löchern – geliefert wurde.
Laut Berichten von La Brújula Verde und Tech Explorist ist Lumina eine der wenigen Simulationen, die beide Prozesse gleichzeitig abbilden können.
Überprüfung der James-Webb-Daten
Die Entwicklung von Lumina wurde unter anderem durch Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) vorangetrieben. Das Teleskop lieferte Bilder von frühen Galaxien, die teilweise reifer erschienen, als es bestehende physikalische Modelle vorhersagten. Lumina dient nun als Werkzeug, um zu prüfen, ob diese Beobachtungen seltene Anomalien darstellen oder ob die Standardmodelle der Kosmologie revidiert werden müssen.
Oliver Zier, Lead-Autor der Studie und Fellow am Institute for Theory and Computation, erklärt die Notwendigkeit dieser präzisen Vorhersagen:.
Um zu verstehen, was wir mit diesem Teleskop sehen, müssen wir unsere Theorien in detaillierte Vorhersagen übersetzen.
Neben dem JWST soll die Simulation auch mit Daten des künftigen Nancy Grace Roman Space Telescope abgeglichen werden. Ziel ist es, die Interaktion zwischen dunkler Materie, Gas und Strahlung so exakt zu modellieren, dass synthetische Karten mit realen Infrarotbildern aus dem tiefen Raum verglichen werden können.
Vom kosmischen Netz zu Einzelgalaxien
Ein besonderes Merkmal von Lumina ist die Fähigkeit zum extremen Zoom. Die Forscher können von einer Übersicht über 1,6 Milliarden Lichtjahre bis hin zur Entstehung einer einzelnen, scheibenförmigen Galaxie herangehen. In diesen Zoom-Ansichten wird sichtbar, wie Gas in Halos aus dunkler Materie stürzt, was schließlich zur Bildung der ersten Sterne führt.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
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