Ein internationales Forschungsteam hat mit der Simulation Lumina den bislang detailreichsten Einblick in die ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall geschaffen. Die auf einem Supercomputer laufende Simulation erfasst das Hundertfache des Volumens früherer Modelle und bildet erstmals die Reionisierung von Wasserstoff und Helium in Echtzeit ab.
Astronomen verstehen die kosmische Entwicklung in ihren groben Zügen, doch die Entstehung der ersten Galaxien und des kosmischen Netzes gibt weiterhin Rätsel auf. Um Licht in dieses Dunkel zu bringen, hat ein internationales Forschungsteam die Computersimulation namens Lumina vorgestellt, wie im Fachblatt Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
berichtet wird. Die Simulation erstreckt sich über die ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall und erfasst das Hundertfache Volumen früherer Modelle.
Über 15.000 Grafikprozessoren treiben die Simulation Lumina an
Etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren kühlte die Materie im Kosmos so weit ab, dass sich Protonen, Neutronen und Elektronen zu Wasserstoff und Helium verbanden. Dadurch wurde der Weltraum durchsichtig für Licht, dessen Strahlung heute als kosmische Hintergrundstrahlung empfangen wird. Durch zufällige Schwankungen entstanden dichtere Ansammlungen Dunkler Materie, die rund 80 Prozent der Masse im Kosmos ausmacht. Wasserstoff und Helium wurden von dieser Materie angezogen und bildeten die ersten Sterne und Galaxien.
Die starke Strahlung dieser aufleuchtenden Sterne und gigantischer Schwarzer Löcher, sogenannter aktiver Galaxienkerne, heizte das umgebende Gas auf und bremste die Galaxienentstehung. Diese Phase bezeichnen Forscher als Reionisierung, da die Strahlung den Atomen Elektronen entriss und sie in Ionen verwandelte. Lumina modelliert die Interaktion dieser fundamentalen Bestandteile und betrachtet als erste Simulation neben der Wasserstoff-Reionisierung auch die Helium-Reionisierung in Echtzeit. Angetrieben wird das Modell von über 15.000 Grafikprozessoren auf einem der schnellsten Supercomputer der Welt.
Zu verstehen, wie Galaxien und aktive Galaxienkerne die Reionisierung des intergalaktischen Mediums im Laufe der kosmischen Zeit vorantreiben, bleibt eine zentrale Herausforderung der Kosmologie.
Oliver Zier, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian in Cambridge (USA)
Vergleich mit den Weltraumteleskopen James Webb und Nancy Roman
Um die Beobachtungen moderner Weltraumteleskope einzuordnen, sind detaillierte theoretische Vorhersagen notwendig. Während das James-Webb-Teleskop bereits seit 2022 Daten und Bilder aus dem All sendet, nimmt das im August gestartete Nancy-Roman-Teleskop Anfang kommenden Jahres seinen wissenschaftlichen Betrieb auf.
Mit dem Webb-Teleskop habe sich das frühe Universum zu einem aufregenden neuen Forschungsfeld der Astrophysik entwickelt, betont Oliver Zier vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge. Um zu verstehen, was Wissenschaftler mit diesem Teleskop beobachten, müssten Theorien in detaillierte Vorhersagen umgesetzt werden — genau das sei die Aufgabe von Simulationen wie Lumina.
Erklärung seltener Objekte im kosmischen Netz
Dank des großen erfassten Volumens zeigt Lumina erstmals auch sehr seltene Objekte. Diese wurden zwar mit Teleskopen aufgespürt, fehlten jedoch in bisherigen Simulationen und bereiteten Astronomen dadurch Kopfzerbrechen.
Künftig können Wissenschaftler mithilfe der Daten untersuchen, wie sich Wasserstoff und Helium zwischen Galaxien bewegen, wie die Strahlung des Urknalls die kosmische Entwicklung prägte und wie sich Regionen intensiver Sternentstehung im Laufe der Zeit entwickelten.
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