So kam nach dem Urknall das Licht ins Universum
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Viele Informationen über die Entstehung des Universums liegen noch im Dunkeln. Eine Forschungsgruppe hat sich eine frühe Phase mit der bisher detailliertesten Simulation genauer angeschaut.
Nach dem Urknall, vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren, war der Raum mit heißem, ionisiertem (positiv geladenem) Gas gefüllt. Mit dem Abkühlen dieses Gases begann das sogenannte "Dunkle Zeitalter" ("Dark Ages").
Reionisierung
500 Millionen Jahre lang kühlte das Universum ab. Es bildeten sich Elemente wie Wasserstoff und Helium. In dieser Zeit waren Teilchen neutral geladen, es gab keine Lichtquellen. Nach und nach verdichteten sich die entstandenen Gaswolken und die ersten Quasare und Galaxien brachten Licht zurück ins Universum.
Nach einer Milliarde Jahre kam schließlich die "Reionisierungsepoche". Die Atome, die sich in der ersten Phase kurz nach dem Urknall gebildet hatten und im Dunklen Zeitalter neutral geladen waren, wurden wieder ionisiert, also positiv geladen. Dadurch entstand ionisiertes Plasma, schwerere Elemente bildeten sich. Das Universum wurde wieder lichtdurchlässig, wie wir es heute kennen.
Vom Big Bang in die heutige Zeit durchlief das Universum viele Phasen
© NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
Wechselwirkung von Licht und Gas
Forscher*innen des MIT, der Havard Universität und des Max Planck Instituts für Astrophysik haben diese Phase nun mit einer Simulation namens Thesan untersucht. Die Reionisierungsepoche ist besonders schwierig nachzuvollziehen, da sie eine chaotische Wechselwirkung von Strahlung, Gasen und Gravitation beinhaltet. Bisher ist unklar, wie das "neue" Licht mit den Gaswolken interagierte.
Der Algorithmus nutzte ein Modell für kosmischen Staub und berechnete, wie Licht mit Gas interagiert. Die Simulation zeigt dann ein würfelförmiges Modell des Universums mit einer Größe von 300 Millionen Lichtjahren. Das Team betrachtete einen Zeitraum von etwa 400.000 bis eine Milliarde Jahre nach dem "Big Bang".
Hochauflösend und weitreichend
Die Basis für Thesan war ein Modell davon, wie eine Galaxie entsteht. Dem fügten sie Berechnungen hinzu, wie das Licht von Galaxien und Sternen mit Gas interagiert und es reionisiert. Ein Prozess, der laut den Forscher*innen so komplex ist, dass keine Simulation zuvor ihn korrekt abbilden konnte.
Um die Simulation zum Laufen zu bringen, nutzten die Forscher*innen den Supercomputer SuperMUC-NG. Das Ergebnis war ein einzigartiges Modell, das gleichzeitig hochauflösend und weitreichend ist.
Aus der dunklen Materie (oben) und Gasen entstanden Galaxien (zweites Panel). Sie produzieren ionisierte Photonen, die den Reionisierungsprozess einleiten (drittes Panel) und das Gas erhitzen (unten).
© THESAN Simulations
Wenig Licht im frühen Universum
Das erste Ergebnis ist die Erkenntnis, dass Licht in dieser frühen Phase des Universums nicht weit reisen konnte. "Die Strecke ist sehr klein und wird erst zum Ende der Reionisierungsphase größer. Dann steigerte sich die Reichweite um den Faktor 10 in nur ein paar Hundert Millionen Jahren", sagt Rahul Kannan, der an der Simulation mitgearbeitet hat, in einem Statement.
Außerdem konnten die Wissenschafter*innen Hinweise darauf finden, welche Art von Galaxien an der Reionisierungsphase beteiligt waren. Vor allem ihre Masse scheint darauf Einfluss zu haben.
Mit Thesan und mit den neuen Daten versprechen sich die Forscher*innen, "das Verständnis des Kosmos grundlegend zu verändern". Nun warten sie auf neue Erkenntnisse durch das James Webb Teleskop, das weiter in die Vergangenheit blicken wird, als jedes Teleskop zuvor, um die Forschung weiterzuführen.
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