Zusammenfassung:
Astronomen haben einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt genutzt, um eine der bisher größten und ausgefeiltesten Simulationen des frühen Universums zu erstellen. Dieses Forschungsprojekt mit dem Namen „Lumina“ stellt die Entwicklung der ersten 2 Milliarden Jahre nach der Geburt des Universums nach. Das simulierte Gebiet ist auf jeder Seite etwa 1,5 Milliarden Lichtjahre lang. Es soll Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie die ersten Sterne und Galaxien entstanden sind und wie dunkle Materie und Strahlung gemeinsam das heutige Universum prägen.
Lumina wurde von Forschern am Center for Astrophysics entwickelt, einem gemeinsamen Betrieb der Harvard University und der Smithsonian Institution. Die Forschungsergebnisse wurden am 26. Oktober 2026 in den „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ veröffentlicht. Das Forschungsteam hofft, dieses virtuelle Universum nutzen zu können, um das theoretische Modell mit Daten des James Webb Space Telescope und des Nancy Grace Roman Space Telescope zu vergleichen, die bald in die wissenschaftliche Beobachtung einbezogen werden sollen, und so zu testen, ob bestehende kosmologische Theorien das wahre Erscheinungsbild des frühen Universums erklären können.
Die moderne Astronomie ist in der Lage, Galaxien zu beobachten, die extrem weit von der Erde entfernt sind. Das Licht dieser Objekte braucht Milliarden von Jahren, um die Erde zu erreichen, sodass Teleskope den Menschen tatsächlich dabei helfen können, in die frühe Geschichte des Universums zurückzublicken. Allerdings reichen Beobachtungen allein nicht aus, um vollständig zu erklären, wie diese Galaxien entstanden sind. Wissenschaftler müssen mithilfe von Computersimulationen auch ableiten, wie sich Materie und Energie über Milliarden von Jahren verändern, ausgehend von den Anfangsbedingungen des Universums und auf der Grundlage bekannter physikalischer Gesetze.
Diese Art der Simulation entspricht dem Aufbau eines virtuellen Labors. Forscher können verschiedene physikalische Bedingungen anpassen, Wechselwirkungen zwischen Sternen, Galaxien, Gas und dunkler Materie beobachten und Simulationsergebnisse mit tatsächlichen astronomischen Beobachtungen vergleichen. Wenn die beiden übereinstimmen, bedeutet dies, dass die bestehende Theorie weitere Unterstützung erhalten hat; Wenn es offensichtliche Unterschiede gibt, kann dies darauf hindeuten, dass es immer noch Lücken im Verständnis der Wissenschaftler über die Entwicklung des Universums gibt.
Luminas auffälligstes Merkmal ist seine Größe. Die gesamte Simulation deckt eine kubische Fläche mit einer Seitenlänge von etwa 1,5 Milliarden Lichtjahren ab, was 100-mal größer ist als frühere ähnliche Simulationen. Ein derart großer räumlicher Umfang ermöglicht es Forschern, gleichzeitig die Entstehung großräumiger Strukturen im Universum sowie die physikalischen Prozesse rund um einzelne Galaxien, Sterne und sogar Schwarze Löcher zu beobachten.
Diese Forschung ist Teil einer kosmischen Simulation der Strahlungshydrodynamik. Im Gegensatz zu Modellen, die nur die Verteilung der Materie verfolgen, sind auch Berechnungen komplexer Wechselwirkungen zwischen Gas, dunkler Materie und Strahlung erforderlich. Obwohl dunkle Materie nicht direkt durch Licht beobachtet werden kann, kann sie durch die Schwerkraft die Bildung von Galaxien und anderen kosmischen Strukturen beeinflussen; Die von leuchtenden Objekten wie Sternen abgegebene Strahlung verändert die Temperatur und den physikalischen Zustand des umgebenden Gases und beeinflusst dadurch die spätere Entwicklung des Universums.
Das Forschungsteam widmete einem äußerst wichtigen Stadium in der Geschichte des Universums besondere Aufmerksamkeit – der Reionisierungsperiode. In den frühen Tagen des Universums gab es große Mengen an Wasserstoff- und Heliumgas. Als die ersten Sterne und andere leuchtende Objekte auftauchten, löste die von ihnen freigesetzte hochenergetische Strahlung nach und nach Elektronen aus den Atomen aus und verwandelte das umgebende Gas in einen ionisierten Zustand. Dieser Prozess veränderte die Eigenschaften des Gases im Universum tiefgreifend und schuf auch Bedingungen für die spätere Entwicklung von Galaxien und großräumigen Strukturen des Universums.
Ein wichtiger Durchbruch von Lumina besteht darin, dass zum ersten Mal in einer Simulation dieser Größenordnung der Helium-Reionisierungsprozess dynamisch verfolgt werden kann und die durch die Helium-Ionisierung verursachten Änderungen sich sofort auf andere physikalische Prozesse in der Simulation auswirken können. Bisher konnten Forscher einige verwandte Phänomene zwar separat untersuchen, es war jedoch schwierig, gleichzeitig die Gesamtstruktur des Universums und die mikroskopischen Objekte zu berücksichtigen, die diese Veränderungen in einem so großen räumlichen Bereich vorantreiben.
Aaron Smith, Assistenzprofessor für Physik an der University of Texas in Dallas, der an der Studie beteiligt war, sagte, das Forschungsteam sei nun in der Lage zu verfolgen, wie sich Wasserstoff und Helium in einem so großen Bereich des Universums allmählich in die Zustände verwandelten, mit denen sie heute vertraut sind, und dabei dennoch eine ausreichende Auflösung beizubehalten, um die Galaxien und andere leuchtende Objekte zu beobachten, die diese Veränderung vorantreiben.
Die Durchführung einer solch komplexen Simulation erfordert extrem große Rechenressourcen. Die Forscher nutzten den Frontier-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory in den USA und nutzten mehr als 15.000 Grafikprozessoren, um die Berechnungen durchzuführen. Frontier ist einer der schnellsten Supercomputer der Welt und seine leistungsstarke parallele Rechenleistung ermöglicht es dem Forschungsteam, den Umfang der Simulationen zu erweitern und gleichzeitig die Details beizubehalten, die zur Untersuchung einzelner Galaxien, Sterne und Schwarzer Löcher erforderlich sind.
Forscher sagen, dass es bei Lumina nicht nur darum geht, eine visuelle Demonstration der Entwicklung des Universums zu schaffen. Sein wichtigerer Wert besteht darin, Wissenschaftlern dabei zu helfen, verschiedene kosmologische Erklärungen zu testen und überprüfbare Vorhersagen für zukünftige Teleskopbeobachtungen zu liefern. Beispielsweise werden die Forscher weiter analysieren, wie Gas zwischen verschiedenen Galaxien fließt, wie sich die vom Urknall übriggebliebene Strahlung auf die Entwicklung des Universums auswirkt und wie sich Regionen mit besonders aktiver Sternentstehung entwickeln und verändern.
Da Geräte wie das James Webb-Weltraumteleskop und das Römische Weltraumteleskop weiterhin detailliertere Beobachtungsdaten des fernen Universums liefern, wird erwartet, dass Lumina zu einem wichtigen Werkzeug wird, das theoretische Modelle und reale Beobachtungen verbindet. Wissenschaftler können das simulierte Universum mit dem tatsächlichen Universum vergleichen und nach Phänomenen suchen, die mit bestehenden Theorien erklärt werden können, sowie nach Unterschieden, die noch nicht vernünftig erklärt werden können.
Das Forschungsteam hofft, dass dieses virtuelle Universum, das sich über 1,5 Milliarden Lichtjahre erstreckt, den Menschen letztendlich dabei helfen wird, besser zu verstehen, was in den ersten zwei Milliarden Jahren nach dem Urknall geschah und wie die ersten Galaxien aus der Materie und Energie des frühen Universums entstanden.
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