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Lumina-Simulation zeigt das frühe Universum in Rekordmaßstab
Kosmische Lichtwende: Nach dem Urknall entstand zunächst neutrales Gas, das energiereiches ultraviolettes Licht absorbierte. Die neue Simulation Lumina verfolgt nun, wie junge Sterne den Wasserstoff und später aktive Schwarze Löcher das Helium erneut ionisierten. Dafür bildet sie ein mehr als hundertmal größeres Raumvolumen ab als frühere vergleichbare Simulationen.
Cambridge (U.S.A.). Nach dem Urknall war das Universum heiß und von elektrisch geladenem Gas erfüllt. Erst rund 380.000 Jahre später verbanden sich viele Elektronen mit Atomkernen zu neutralen Atomen. Als danach die ersten Sterne entstanden, traf ihre energiereiche Strahlung auf Wasserstoffgas, das ultraviolettes Licht stark absorbierte.
Die Strahlung junger Galaxien löste schließlich wieder Elektronen aus Wasserstoffatomen und verwandelte das Gas in elektrisch geladenes Plasma. Später wurde auch bereits einfach ionisiertes Helium durch energiereichere Strahlung ein weiteres Mal ionisiert. Diese beiden räumlich ungleichmäßigen Umbrüche gemeinsam zu berechnen, ist wegen der gewaltigen Größenunterschiede im Kosmos besonders schwierig.
Forscher des Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) um Oliver Zier haben nun mit Lumina ein Computermodell entwickelt, das die Entstehung von Galaxien und die Ausbreitung ihrer Strahlung zusammenführt. Der in der Fachpublikation als Korrespondenzautor ausgewiesene Astrophysiker ist am CfA in Cambridge tätig. Mit Lumina lässt sich verfolgen, wie sich Materie über die ersten rund zwei Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte verteilt und verändert haben könnte.
„Mit dem Webb-Teleskop ist das frühe Universum zu einem aufregenden neuen Forschungsgebiet der Astrophysik geworden“, erklärt Oliver Zier.
Die Simulation erfasst einen würfelförmigen Raumausschnitt mit einer Kantenlänge von 500 Millionen Parsec, umgerechnet rund 1,6 Milliarden Lichtjahren. Diese sogenannte mitbewegte Entfernung berücksichtigt die Expansion des Kosmos. Damit umfasst Lumina mehr als das Hundertfache des Volumens früherer vergleichbarer Modelle zur Entwicklung des intergalaktischen Gases.
Trotz dieser Ausdehnung berechnet Lumina die Entwicklung von rund 432 Milliarden Teilchen und Gaszellen. Dafür nutzte das Team mehr als 15.000 Grafikprozessoren des Supercomputers Frontier in Tennessee. Die Rechenleistung ermöglicht es, zugleich das kosmische Netz aus Dunkler Materie und die Entstehung einzelner Galaxien im Modell zu untersuchen.
„Andere Simulationen können nicht so tief hineinzoomen“, erklärt Mark Vogelsberger vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Die Rechnungen legen nahe, dass vor allem die ersten Sterne und Galaxien die erneute Ionisierung von Wasserstoff und zunächst neutralem Helium antrieben. Ihre ultraviolette Strahlung erzeugte wachsende Blasen aus ionisiertem Gas, die sich schließlich miteinander verbanden. In den untersuchten Teilregionen verlief dieser Prozess unterschiedlich schnell, weil die leuchtenden Galaxien ungleich verteilt waren.
Demnach war die Wasserstoff-Reionisierung in der Hälfte der untersuchten Teilregionen spätestens bei einer kosmologischen Rotverschiebung von etwa 5,2 abgeschlossen. Je kleiner dieser Wert ist, desto später liegt der kosmische Zeitpunkt. Kleinere neutrale Gebiete hielten sich im Modell jedoch bis zur Rotverschiebung 4,75. Für die spätere zweite Ionisierung von Helium benötigte es härtere Strahlung, die vor allem von aktiven, Materie verschlingenden supermassereichen Schwarzen Löchern stammt.