COLIBRE
Die kalte und staubige Seite der Galaxienentstehung
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Wien
astronews.com
17. April 2026

Mit COLIBRE gelangen nun Simulationen, mit denen die Galaxienentstehung und -entwicklung realistischer dargestellt werden kann als zuvor, indem etwa kaltes Gas und kosmischer Staub mit einbezogen wird. Auf diese Weise zeigte sich, dass einige Beobachtungen des James Webb Space Telecope keinen Widerspruch zum aktuellen Standardmodell der Kosmologie darstellen.

Visuelle Eindrücke der COLIBRE-Simulationen. Bild: Schaye et al. (2026) [Großansicht]

Als das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) vor etwa vier Jahren seinen Betrieb aufnahm, schien das kosmologische Standardmodell schon nach kurzer Zeit zu wanken: Die Beobachtungen wichen in einzelnen Punkten zu stark von damaligen Modellen und Simulationen ab; manche vermuteten neue Teilchen oder Gesetzmäßigkeiten. Ein internationales Team, geleitet von Joop Schaye an der Universität Leiden, konnte nun jedoch mithilfe einer neuen Sammlung kosmologischer Simulationen zeigen, dass das sogenannte LCDM-Standardmodell (Lambda-Cold-Dark-Matter) weiterhin gültig ist, wenn kaltes Gas, kosmischer Staub und der Einfluss von Sternen und Schwarzen Löchern in den Modellen berücksichtigt werden.

"Im Gegensatz zu früheren Simulationen kann COLIBRE das kalte Gas und den kosmischen Staub innerhalb von Galaxien modellieren", erklärt Sylvia Ploeckinger vom Institut für Astrophysik der Universität Wien, die an den Simulationen beteiligt war. "Gas und Staub sind die Rohmaterialien für die Sternentstehung und beeinflussen zudem stark, wie Galaxien in Teleskopen erscheinen." Durch die Einbeziehung dieser zuvor fehlenden Komponenten und mithilfe deutlich höherer Rechenleistung bildet COLIBRE reale Galaxien erfolgreich nach, wie sie sowohl heute als auch im frühen Universum vom James-Webb-Teleskop beobachtet werden.

Die COLIBRE-Sammlung betritt dabei in mehrfacher Hinsicht Neuland: In früheren Simulationen war es nicht möglich darzustellen, dass Gas innerhalb von Galaxien unter etwa 10.000 Grad – heißer als die Oberfläche der Sonne – abkühlte, weil die Modellierung kälteren Gases zu komplex war. Beobachtungen zeigen jedoch, dass Sterne in deutlich kälterem Gas entstehen. COLIBRE beinhaltet nun die notwendigen physikalischen und chemischen Prozesse, die nötig sind, um dieses kalte interstellare Gas direkt zu modellieren. "COLIBRE ist ein Simulationsprojekt, das Galaxien in all ihren Phasen abbildet, gerade auch ihre kalte Seite: Wir können sehen, wie Gas abkühlt, Moleküle bildet und schließlich neue Sterne entstehen. Das ist ein großer Fortschritt für großskalige Galaxiensimulationen", erklärt Ploeckinger, die als COLIBRE‑Mitentwicklerin die Modellierung dieser Prozesse leitete.

COLIBRE simuliert zudem kleine Staubkörner, die das galaktische Gas stark beeinflussen können. Diese festen Partikel fördern die Bildung von Wasserstoffmolekülen, die den kalten Gasanteil von Galaxien dominieren. Der Staub schirmt Gas vor harter ultravioletter Strahlung ab und beeinflusst maßgeblich, wie Galaxien in Teleskopen erscheinen. Staub absorbiert ultraviolettes und optisches Licht von Sternen und emittiert es im Infraroten, was viele astronomische Beobachtungen prägt. Durch die direkte Modellierung von Staub eröffnet COLIBRE neue Wege, Simulationen mit realen Daten zu vergleichen. Dank Fortschritten bei Algorithmen und Supercomputing verwendet COLIBRE bis zu 20-mal mehr Auflösungselemente als frühere Simulationen, wodurch größere Volumina mit höherer Detailtiefe und besseren Statistiken simuliert werden können. Dunkle Materie wird ebenfalls in hoher Auflösung modelliert, was Artefakte reduziert, die in früheren Simulationen zu sehen waren.

COLIBRE zeigt, dass eine realistische Behandlung von kaltem Gas, Staub und dem Einfluss von Sternen und Schwarzen Löchern auf das interstellare Medium entscheidend für das Verständnis der Galaxienentwicklung ist. Es bietet ein leistungsfähiges neues Labor zum Testen von Theorien, zum Interpretieren von Beobachtungen und zum Erstellen "virtueller Beobachtungen", um zu prüfen, wie die Astronomie reale Daten analysiert. "Ein großer Teil des Gases in Galaxien ist kalt und staubig, aber die meisten früheren großen Simulationen mussten dies ignorieren", sagt Projektleiter Schaye von der Universität Leiden. "Mit COLIBRE bringen wir diese essenziellen Komponenten endlich ins Bild."

COLIBRE zeigt, dass das Standardmodell der Kosmologie weiterhin mit Beobachtungen zur Galaxienentwicklung übereinstimmt – einschließlich einiger, die als herausfordernd galten, etwa der Massen von Galaxien im frühen Universum. "Einige frühe JWST-Ergebnisse schienen das Standardmodell der Kosmologie infrage zu stellen", sagt Evgenii Chaikin von der Universität Leiden. "COLIBRE zeigt, dass das Modell mit dem, was wir sehen, vereinbar bleibt, sobald zentrale physikalische Prozesse realistischer dargestellt werden."

Dennoch sind bei weitem noch nicht alle Fragen geklärt: So werden beispielsweise die rätselhaften "Little Red Dots", die vom JWST entdeckt wurden und möglicherweise die Keime supermassereicher Schwarzer Löcher sind, von COLIBRE nicht vorhergesagt, da angenommen wird, dass solche Keime bereits existieren. "Ihre Entstehung zu modellieren, erfordert Simulationen mit noch höherer Auflösung und neuer Physik – da liegt also noch viel Arbeit vor uns", sagt Ploeckinger.

Über die wissenschaftlichen Ergebnisse hinaus entwickelte das Team auch neue Wege, die Simulationen zu erkunden. Dazu gehören "sonifizierte Videos", in denen Klang zusätzliche physikalische Informationen codiert, sowie interaktive Karten, die es Nutzerinnen und Nutzern ermöglichen, die virtuellen Universen zu erforschen. "Diese Werkzeuge könnten neue Einblicke liefern, unser Fach zugänglicher machen und uns helfen, ein Gefühl dafür zu entwickeln, wie Galaxien wachsen und sich entwickeln", sagt James Trayford von der University of Portsmouth, der die Entwicklung des Staubmodells von COLIBRE und die Sonifizierung seiner Visualisierungen leitete.

Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erschienen ist.