Frühes Universum nach Urknall: Supercomputer erschafft detailreichstes Bild des jungen Kosmos

Frühes Universum nach UrknallSupercomputer erschafft detailreichstes Bild des jungen Kosmos

28.10.2026, 09:58 Uhr

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Ein internationales Forscherteam präsentiert die bislang präziseste Simulation des jungen Kosmos. Sie umfasst die ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Dabei zeigen sich auch Objekte, die Astronomen bisher Rätsel aufgaben.

Wie sind die ersten Galaxien entstanden? Und wann haben sich daraus großräumige Strukturen wie Galaxienhaufen und das "kosmische Netz" aus Filamenten gebildet, die viele 100 Millionen Lichtjahre überspannen? Ein internationales Forschungsteam hat jetzt die bislang detailreichste Computersimulation vorgestellt, mit der sich künftig diese Fragen beantworten lassen sollen. Die Simulation namens Lumina erstreckt sich über die ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall und erfasst das Hundertfache Volumen früherer Simulationen, wie die Wissenschaftler im Fachblatt "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" berichten.

In groben Zügen verstehen Astronomen heute die kosmische Entwicklung. Etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren war die Materie im Kosmos so weit abgekühlt, dass sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen die Elemente Wasserstoff und Helium bilden konnten. Damit wurde der Weltraum zugleich durchsichtig für Licht - und die damals freigesetzte Strahlung empfangen wir noch heute als kosmische Hintergrundstrahlung, eine Art fernes Echo des Urknalls.

Durch zufällige Schwankungen bildeten sich dichtere Ansammlungen der geheimnisvollen Dunklen Materie, die etwa 80 Prozent der Masse im Kosmos ausmacht. Die normale Materie, also in dem Fall Wasserstoff und Helium, wurde davon angezogen und bildete die ersten Sterne und Galaxien. Die starke Strahlung der aufleuchtenden Sterne und sogenannter aktiver Galaxienkerne, gigantischer Schwarzer Löcher, heizte das Gas in der kosmischen Umgebung auf und bremste so die Galaxienentstehung. Forscher nennen diese Phase die Reionisierung, weil die Strahlung den Wasserstoff- und Helium-Atomen im All Elektronen entriss und sie so in Ionen verwandelte.

"Zu verstehen, wie Galaxien und aktive Galaxienkerne die Reionisierung des intergalaktischen Mediums im Laufe der kosmischen Zeit vorantreiben, bleibt eine zentrale Herausforderung der Kosmologie", erläutern Oliver Zier vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge (USA) und seine Kollegen. Dabei soll nun die Simulation Lumina helfen. Aber nicht allein. Es sind vor allem neue große Weltraumteleskope wie "James Webb" und "Nancy Roman", die den Forschern tiefe Einblicke in die Frühzeit des Universums liefern.

Über 15.000 Grafikprozessoren auf Supercomputer

Während das Webb-Teleskop bereits seit 2022 Daten und Bilder aus dem All sendet, nimmt das im August gestartete Roman-Teleskop Anfang kommenden Jahres den wissenschaftlichen Betrieb auf. "Mit dem Webb-Teleskop hat sich das frühe Universum zu einem aufregenden neuen Forschungsfeld der Astrophysik entwickelt", betont Zier. "Um zu verstehen, was wir mit diesem Teleskop beobachten, müssen wir unsere Theorien in detaillierte Vorhersagen umsetzen." Und das sei eben die Aufgabe von Simulationen wie Lumina, so der Forscher.

Lumina modelliert, wie die fundamentalen Bestandteile des Universums - Gas, Dunkle Materie und Licht - interagieren und Sterne und Galaxien bilden. Sie ist zudem die erste Simulation, die nicht nur die Reionisierung von Wasserstoff, sondern auch die Helium-Reionisierung in Echtzeit betrachtet und deren Auswirkungen auf das sich entwickelnde Universum unmittelbar im Modell zeigt. Über 15.000 Grafikprozessoren auf einem der schnellsten Supercomputer der Welt treiben die Simulation an.

Künftig können Wissenschaftler mit Lumina untersuchen, wie sich Wasserstoff und Helium zwischen den Galaxien bewegen, wie die Strahlung des Urknalls die kosmische Entwicklung prägte und wie sich Regionen intensiver Sternentstehung im Laufe der Zeit entwickelten. Einen weiteren Vorteil bietet das große Volumen, das Lumina erfasst. Darin zeigen sich erstmals auch sehr seltene Objekte, die zwar mit Teleskopen aufgespürt wurden, in Simulationen aber fehlten und den Astronomen deshalb Kopfzerbrechen bereiteten.