Eine neue Computersimulation namens Lumina modelliert das Universum von 50 Millionen bis 200 Millionen Jahre nach dem Urknall und zeigt, wie die ersten Sterne und Schwarzen Löcher dazu beitrugen, das kosmische Dunkle Zeitalter zu beenden. Die Arbeit wurde in der Novemberausgabe der Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.

Das kosmische Dunkle Zeitalter begann, nachdem sich das Universum so weit abgekühlt hatte, dass sich Elektronen mit Wasserstoff und Helium verbinden konnten und neutrales Gas bildeten. Da es noch keine Sterne oder Galaxien gab, die Licht erzeugten, trat der frühe Kosmos in eine dunkle Phase ein, die Wissenschaftler weniger gut verstehen als den Urknall und seine unmittelbaren Folgen.

Lumina verfolgt die Epoche der Reionisierung, in der Strahlung den Wasserstoff- und Heliumatomen Elektronen entriss. Der Prozess verlief ungleichmäßig: Frühe Sterne konnten Wasserstoff ionisieren und einem Heliumatom ein Elektron entreißen, während Strahlung von sich entwickelnden supermassereichen Schwarzen Löchern nötig war, um Helium auch sein zweites Elektron zu entziehen. Die Simulation zeigt, wie ionisierte Blasen um große Strukturen herum wachsen, während ausgedehnte Gebiete neutral blieben.

Die Forschenden zufolge zählt Lumina zu den größten und detailliertesten Simulationen dieser Epoche. Sie erstreckt sich in jede Richtung über 1,5 Milliarden Lichtjahre und umfasst 200 Millionen Galaxien, wobei Forschende zugleich die Entwicklung einzelner Galaxien untersuchen können. Ihr Volumen ist laut einer Mitteilung des Projekts mehr als 100-mal so groß wie das vergleichbarer Simulationen.

Das Team nutzte den Supercomputer Frontier am Oak Ridge National Laboratory, um das Modell zu erstellen. Für das Projekt waren etwa 600 Terabyte Arbeitsspeicher erforderlich; der Durchlauf dauerte rund sechs Monate. Umfang und Detailgrad sollen Wissenschaftlern helfen, Theorien anhand von Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops und des Nancy Grace Roman Space Telescope zu überprüfen.

Der Hauptautor Oliver Zier, ein computergestützter Astrophysiker am Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian, sagte, der Vergleich von Teleskopbeobachtungen mit Simulationen könne Forschenden helfen, die unerwartet große Zahl heller Galaxien zu untersuchen, die im frühen Universum beobachtet werden. JWST kann einzelne Objekte detailliert untersuchen, während Roman voraussichtlich viel größere Himmelsbereiche erfassen und umfangreichere Stichproben seltener, heller Galaxien finden wird.

Lumina baut auf früheren Computermodellen des Kosmos auf, darunter IllustrisTNG, das die Grundlage für das Projekt bildete. Die Forschenden hoffen, dass die Simulation Astronomen helfen wird, besser zu verstehen, wie die ersten leuchtenden Strukturen entstanden und wie das Universum aus seiner langen dunklen Phase hervorging.

Quellen: Smithsonian Magazine.