Die Entstehung des Universums im Zeitraffer, sie erinnert an ein stark gereiztes Nervensystem – organisch, pulsierend, voller Energie. Zu Beginn sind es bloß blaue Tupfen, die lose im unendlichen Raum schweben. Mit der Zeit aber streben die zarten Gebilde zueinander, verdichten sich, verschmelzen zu Wolken. Die sind erst rosafarben, dann grün. Sie sprühen Blitze und entladen sich schließlich in glühend roten Explosionen bis alle Kraft verbraucht scheint. Was bleibt, ist eine blassblaue Galaxie – das Jetzt.

Mit beeindruckender Präzision haben der Astrophysiker Mark Vogelsberger vom Massachusetts Institute of Technology und seine Kollegen die Entstehung des Universums nachgezeichnet. Von kurz nach dem Urknall bis heute. Der virtuelle Kosmos ist dabei kaum noch von der Realität zu unterscheiden. Im Fokus der Forscher: Eine Region mit einer Ausdehnung von etwa 350 Millionen Lichtjahren, deren Wachstum sie über einen Zeitraum von mehr als 13 Milliarden Jahren verfolgt haben; Darstellung der chemischen Zusammensetzung inklusive (Vogelsperger et al., 2014). Die Simulation, über die das Team im Magazin Nature berichtet, belegt erstens: Der Mensch hat schon jetzt eine gute Vorstellung von der Entstehung des Universums. Und zweitens: Alles verstanden hat er noch lange nicht.

Zu Beginn war die Ursuppe. Bestehend aus Wasserstoff, Heliumgas und Dunkler Materie. Mit der Zeit kam es zu immer größeren Verklumpungen, zusammengetrieben von der Schwerkraft. Schließlich formten sich galaktische Sternsysteme, die durch ein komplexes Zusammenspiel von Strahlungsprozessen, hydrodynamischen Stoßwellen, turbulenten Strömungen, Sternentstehung, Supernova-Explosionen und superschweren Schwarzen Löchern stetig wuchsen und zu dem wurden, was Astronomen heute sehen.

Astrophysik - Die Entstehung des Universums im Zeitraffer

"Falls all das irgendwie kompliziert klingt, lassen Sie sich nicht täuschen", schreibt der Astrophysiker Michael Boylan-Kolchin von der University of Maryland in einem Begleitartikel zu der Studie in Nature (Boylan-Kolchin, 2014). "Es ist extrem kompliziert." Diese Wirklichkeit auf den Computerbildschirm zu holen, sei daher eine enorme Herausforderung. Vogelsperger und seinen Kollegen ist es dennoch gelungen.

8.000 Prozessoren verarbeiteten 200 Terabyte

Das Leben des virtuellen Universums beginnt etwa zwölf Millionen Jahre nach dem Urknall, zu einem Zeitpunkt, als es noch keine Sterne, keine Galaxien, keine Planeten und keine Schwarzen Löcher gab. Stattdessen war alle Materie nahezu homogen verteilt. Was folgt ist ein nahezu organisches Farbenspiel aus Wärme und Kälte, aus Geburt, Leben und Sterben von Sternen und Galaxien. "Die Simulation verknüpft den einfachen Zustand des Universums kurz nach dem Urknall mit der enorm strukturierten und komplexen Welt, die wir heute im Universum sehen", sagt Volker Springel.

Der Astrophysiker aus Heidelberg arbeitet seit Jahren an dem Großvorhaben mit. 8.000 Prozessoren kämpften Monate lang mit 200 Terabyte Daten, das gab es in der Kosmologie noch nie. Die Berechnung basierte dabei auf einem "moving mesh code", den Forscher vom Heidelberger Institut für Theoretische Studien eigens für dieses Projekt entwickelt haben. Er teilt das Show-Universum nicht in ein starres Gitter, sondern in bewegliche und veränderliche Gitter ein. Auf diese Weise konnten die Größen- und Masseunterschiede zwischen Galaxien genau verarbeitet werden. Herausgekommen ist eine dreidimensionale Karte, die sich ziemlich mit dem realen Universum deckt.

Ein erleichterndes Ergebnis. Schließlich habe man zunächst bestehende Theorien testen wollen, sagt Springel. Es ging also um nicht weniger, als das Standardmodell der Kosmologie zu bestätigen. "Wir stellen ja die kühne Behauptung auf, dass es im Kosmos jede Menge Dunkler Materie und Dunkler Energie gibt." Rund 85 Prozent der Masse macht demnach etwa die Dunkle Materie aus, fassbar aber ist sie bislang nicht, die wahre "physikalische Natur" unbekannt. Die Simulation sage nun genau voraus, wie die Dunkle Materie verteilt ist, und wie sie die Dynamik der normalen Materie beeinflusst, erklärt der Astrophysiker. "Das ist extrem wichtig für jede Art der experimentellen Suche nach diesen dunklen Komponenten und kann nicht anders erzielt werden."

Eine weitere zentrale Frage der Kosmologie konnte das Modell beantworten: Ob es überhaupt möglich ist, dass in einem solchen Universum die zwei Haupttypen von Galaxien – Spiralgalaxien und elliptische Galaxien – gleichzeitig entstehen. Der in der Simulation gezeigte muntere Mix demonstriere ein klares "Ja".