Eine neue Computersimulation zeigt, wie aus dunklem Gas die ersten Galaxien entstehen und ihre Strahlung das junge Universum verändert. Das internationale Forschungsteam nennt sein Modell Lumina. Die zugehörige Facharbeit erschien am 26. Oktober in den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; ein Vorabdruck ist seit Mai verfügbar.
Lumina berechnet einen Ausschnitt der kosmischen Entwicklung über rund zwei Milliarden Jahre. Dabei verfolgt das Programm nicht nur die Entstehung von Galaxien, sondern auch, wie sich deren Strahlung durch das Gas zwischen ihnen bewegt. Die Bilder und Videos des Projekts sind Ansichten dieser Berechnung, keine Aufnahmen eines Teleskops.
Vom Gasnetz zur ersten Galaxie
Den Ausgangspunkt setzt das Team laut MIT etwa 45 Millionen Jahre nach dem Urknall. Zu dieser Zeit gab es noch keine Sterne. Das Modell beginnt mit Annahmen darüber, wie Gas und die unsichtbare dunkle Materie verteilt waren und sich bewegten.
Unter der Wirkung der Schwerkraft sammelt sich Materie in dichteren Regionen. Gas fällt in diese Gebiete hinein; dort können im Modell Galaxien und Sterne entstehen. Die jungen Sterne geben Strahlung ab. Lumina verfolgt anschließend, wie diese Strahlung auf das umgebende Gas trifft und es verändert.
Eine wichtige Veränderung betrifft Wasserstoff. Ein neutrales Wasserstoffatom besitzt ein Elektron. Trifft energiereiche Strahlung darauf, kann sie das Elektron lösen: Das Gas wird ionisiert. In der Simulation entstehen so um frühe Galaxien ionisierte Bereiche, die wachsen und sich miteinander verbinden. Forschende sprechen von Reionisierung, weil das Gas in einer noch früheren Phase bereits ionisiert war.
Eine zweite Veränderung braucht energiereichere Strahlung
Die Facharbeit beschreibt auch, wie Helium durch besonders energiereiche Strahlung weiter ionisiert wird. Im Modell stammt diese Strahlung vor allem aus aktiven Galaxienkernen. Dort sammelt ein sehr massereiches Schwarzes Loch Materie an; die Umgebung kann dabei intensive Strahlung aussenden. Für den Wasserstoff spielen dagegen junge Sternpopulationen die entscheidende Rolle.
Beide Vorgänge gemeinsam zu berechnen ist aufwendig. Lumina verbindet ein Modell der Galaxienbildung mit einer Berechnung des Strahlungstransports. Das Team lässt Gas, dunkle Materie und Strahlungsquellen über die Zeit miteinander wechselwirken, statt nur einen fertigen Zustand zu zeichnen.
Ein großer Ausschnitt, viele Rechenschritte
Der simulierte Bereich hat eine Kantenlänge von 500 sogenannten komovierenden Megaparsec. Das ist eine in der Kosmologie verwendete Längeneinheit, die die Ausdehnung des Universums berücksichtigt. Die Rechnung umfasst rund 432 Milliarden Auflösungselemente für Materie und Gas. Jedes Element steht für einen größeren Bereich oder eine größere Menge Materie, nicht für ein einzelnes Atom oder einen einzelnen Stern.
Die große simulierte Umgebung hilft, auch seltene Objekte und unterschiedliche kosmische Nachbarschaften in derselben Rechnung zu betrachten. Für die Rechenarbeit nutzte das Team nach Angaben des MIT den Supercomputer Frontier am Oak Ridge National Laboratory. In der Spitze kamen demnach die Leistung von mehr als 100.000 Prozessorkernen und rund 15.000 Grafikprozessoren zusammen.
Wie Forschende das Modell prüfen
Aus der Rechnung lassen sich Eigenschaften ableiten, die mit Beobachtungen verglichen werden können. Die Autoren berichten etwa, dass bestimmte Eigenschaften des simulierten Gases und ein Maß für die Wechselwirkung von Strahlung mit Elektronen zu vorhandenen Beobachtungen passen. Das Team will außerdem simulierte Galaxienpopulationen mit Daten neuer und künftiger Himmelsdurchmusterungen vergleichen.
Ein solcher Vergleich ist Teil der Prüfung des Modells. Die Simulation beginnt mit gewählten Anfangsbedingungen und enthält vereinfachte, teilweise an Beobachtungen angepasste Beschreibungen von Vorgängen, die sie nicht einzeln auflösen kann. Wenn Lumina zeigt, wie ionisierte Blasen wachsen, ist das deshalb eine berechnete mögliche Entwicklung. Teleskopdaten können helfen zu prüfen, welche ihrer Vorhersagen zur wirklichen Entwicklung passen.
Quellen
- Oliver Zier und weitere: Introducing the Lumina project, Vorabdruck, zuletzt aktualisiert am 3. August 2026; Journalfassung vom 26. Oktober 2026, DOI 10.1093/mnras/stag1469.
- Jennifer Chu, MIT News: Watch the universe emerge from the dark ages, with Lumina, 26. Oktober 2026.
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