Milchstraße könnte aus Tausenden Galaxien entstanden sein

Kosmischer Blick zurück: Eine neue Simulationssuite zeichnet nach, wie ein milchstraßenähnliches Umfeld mehr als 13 Milliarden Jahre in der Vergangenheit ausgesehen haben könnte. Statt einer fertigen Spiralgalaxie zeigt das Modell Tausende kleine Systeme mit sehr unterschiedlicher Sternentstehung und erzeugt mehr als 175.000 künstliche Spektren zum Vergleich mit dem James-Webb-Weltraumteleskop.

Chicago (U.S.A.). Die heutige Milchstraße ist eine große Spiralgalaxie. Doch im kosmischen Morgen, als das Universum noch keine Milliarde Jahre alt war, gab es ihren vertrauten Aufbau noch nicht. Wie aus vielen kleinen Vorläufern später ein System mit ihrer Masse entstehen konnte, lässt sich nur indirekt aus Beobachtungen und Simulationen erschließen.

Jetzt liefert die Simulationssuite MEGATRON einen besonders detailreichen Blick in diese frühe Phase. Die veröffentlichte Überblicksstudie beschreibt eine Umgebung, die in ihrer späteren Entwicklung die Masse einer Milchstraßen-Galaxie erreicht. Das Modell ist damit kein Rückfilm der tatsächlichen Geschichte unserer Galaxie, sondern ein physikalisch aufwendiges Vergleichsszenario.

Tausende Bausteine im Modell

Forscher der University of Chicago (UChicago) um Harley Katz haben sieben kosmologische Strahlungshydrodynamik-Simulationen ausgewertet. Sie verfolgen die Entwicklung von Gas, Sternen, Strahlung und chemischen Elementen in einer ausgewählten kosmischen Region. Die für das frühe Universum optimierten Läufe reichen bis zu Rotverschiebungen oberhalb von acht und zeigen damit eine Epoche innerhalb der ersten Milliarde Jahre der kosmischen Geschichte.

„Wie sieht die Milchstraße zu dem aus, was wir den kosmischen Morgen nennen?“, fragt Harley Katz.

In dieser simulierten Umgebung existieren Tausende kleinere Teilsysteme, aus denen später ein großes Galaxiensystem hervorgehen kann. Besonders wichtig ist dabei nicht nur ihre Zahl, sondern ihre Vielfalt. Manche bilden intensiv neue Sterne, andere sind deutlich ruhiger. Die Simulation erzeugt für diese frühen Galaxien zudem mehr als 175.000 künstliche Spektren.

Damit lässt sich direkt prüfen, wie solche Objekte für heutige Weltraumteleskope erscheinen würden. Nach Angaben der Studie reproduziert MEGATRON einen großen Teil der spektralen Vielfalt, die das James-Webb-Weltraumteleskop bei sehr weit entfernten Galaxien beobachtet. Das spricht dafür, dass viele der ungewöhnlichen Spektren innerhalb des kosmologischen Standardmodells erklärbar sein könnten.

Chemie und Strahlung laufen gemeinsam mit

Der Rechenaufwand entsteht vor allem durch die gekoppelte Physik. MEGATRON verbindet ein umfangreiches Nichtgleichgewichtsmodell für ursprüngliche Teilchen, Metalle und Moleküle mit einer mehrfrequenten Strahlungsausbreitung, die während der Simulation mitgerechnet wird. Die Rechnungen starten mit metallfreiem Gas, lösen kleine frühe Halos auf und erreichen in besonders dicht berechneten Bereichen Skalen von wenigen Parsec.

Dadurch kann das Modell verfolgen, wie Sterne ihre Umgebung gleichzeitig durch Strahlung und neu erzeugte Elemente verändern. Gerade im jungen Universum ist das wichtig, weil Gas, Strahlungsfelder und chemische Zusammensetzung fortlaufend wechseln. Vereinfachte Gleichgewichtsannahmen können solche schnell veränderlichen Zustände nur eingeschränkt abbilden.

Für die Astronomie ist diese Kopplung besonders nützlich, weil aus dem Simulationszustand direkt künstliche Spektren berechnet werden. Beobachter können dadurch nicht nur allgemeine Galaxieneigenschaften vergleichen, sondern prüfen, welche Kombination aus Dichte, Temperatur, Metallgehalt und Sternentstehung ein tatsächlich gemessenes Spektrum hervorbringen könnte.

Ein Testfeld für das James-Webb-Teleskop

Genau hier liegt der wichtigste Nutzen der Simulation. Das James-Webb-Weltraumteleskop liefert inzwischen Tausende hochwertige Spektren aus dem frühen Universum. MEGATRON stellt ihnen eine große Bibliothek synthetischer Gegenstücke gegenüber und soll helfen, aus den beobachteten Lichtsignalen zuverlässiger auf die physikalischen Eigenschaften der Galaxien zu schließen.

Die Autoren betonen allerdings mehrere Grenzen. In der derzeitigen Fassung fehlen aktive galaktische Kerne, also die energiereichen Zentren um wachsende supermassereiche Schwarze Löcher. Zudem hängen einzelne Vorhersagen von den verwendeten Modellen für Sternpopulationen und die von Sternen erzeugten Elementmengen ab. Auch deshalb ist die Simulation keine eindeutige Rekonstruktion der echten jungen Milchstraße.

Entscheidend sind nun die Abweichungen zwischen Modell und Beobachtung. Wo die künstlichen Spektren mit den Daten übereinstimmen, lassen sich mögliche Entstehungswege früher Galaxien eingrenzen. Wo sie nicht passen, zeigen die Unterschiede, welche physikalischen Prozesse noch fehlen oder anders beschrieben werden müssen. So wird MEGATRON vor allem zu einem Testfeld für die nächste Generation von Beobachtungen und Modellen.

Quellen:

Originalstudie im Fachmagazin The Open Journal of Astrophysics, doi: 10.33232/001c.169643

Offizielle Studienmitteilung von University of Chicago (UChicago)

4. Oktober 2026 - Clara Lyu

Keine Meldungen mehr verpassen – mit unserem wöchentlichen Newsletter.