科学家创建了有史以来最大且最详细的早期宇宙模拟之一，提供了一种卓越的新方式来探索宇宙在大爆炸后的演变。这个名为“Lumina”的模拟是由哈佛与史密斯逊天体物理中心的研究人员建立的，目的是帮助天文学家解读来自强大仪器（如詹姆斯·韦布太空望远镜 (JWST) 和南希·罗曼太空望远镜）的观测。该研究发表在《皇家天文学会月刊》中，通过模拟普通物质、暗物质和辐射之间的相互作用，重建了宇宙的前 20 亿年。通过将 Lumina 的预测与 JWST、罗曼和其他望远镜的观测进行比较，科学家可以评估现有理论在解释宇宙演化方面的有效性，并识别可能挑战其对宇宙基本法则理解的发现。天文学家们花了几个世纪的时间研究天空，为恒星、星系和其他宇宙结构的形成发展解释。现代超级计算机现在能够将这些想法转化为详细的模拟，预测宇宙的行为。当望远镜的观测与这些预测相符时，便增强了对当前理论的信心。然而，意外的差异可能表明科学家尚未完全理解的物理过程。“有了 JWST，早期宇宙已成为天体物理学中的一个令人兴奋的新前沿，”主作者奥利弗·齐尔说，他是哈佛与史密斯逊天体物理中心的 ITC 研究员。“为了理解我们通过这个望远镜所看到的，我们需要将我们的理论转化为详细的预测。经过几年的努力，经历了很多起伏，看到模拟结果和我们预测的视频变为现实是极其有意义的。”重现宇宙的前 20 亿年 Lumina 是有史以来最大宇宙辐射流体动力学模拟。从简单的角度来看，它利用强大的计算机计算气体、暗物质和光如何相互影响，因为年轻的宇宙在发展。通过追踪大爆炸后前 20 亿年内这些相互作用，研究人员可以研究最早的星系是如何形成的，以及它们的活动如何改变周围巨大的气体云。该模拟建模的空间体积是早期可比较项目所覆盖的空间的 100 多倍。其虚拟宇宙的立方体每一边大约为 15 亿光年，提供了一种与现代最先进望远镜可以研究的巨大区域相当的宇宙演化视图。另一个重大进展是 Lumina 对氦再电离的处理，这个过程是辐射从氦原子中剥离电子。首次，这种类型的模拟在这一转变展开的同时追踪其如何影响周围宇宙。这使科学家能够研究不断演变的星系、辐射和填充它们之间空间的气体之间的关系。“我们感到非常幸运能够构建像 Lumina 这样的模拟，”德克萨斯大学达拉斯分校的物理学助理教授兼论文作者亚伦·史密斯说。“这是第一次，我们可以在如此大的宇宙体积内跟踪氢和氦是如何变化成其现代形式的，同时仍然解析出驱动这一转变的星系和其他发光物体。”一台强大的超级计算机为虚拟宇宙提供动力 重现如此大规模的宇宙历史需要非凡的计算资源。该团队在位于田纳西州的橡树岭国家实验室的世界最快超级计算机 Frontier 上使用了超过 15,000 个图形处理单元。该处理能力使研究人员能够模拟早期宇宙的一个异常大的区域，而不牺牲研究单个星系和其他重要结构所需的细节。因此，Lumina 可以捕捉宇宙的整体演化，同时跟踪涉及恒星、星系和黑洞形成的过程。测试早期宇宙的奥秘 除了重现宇宙历史外，Lumina 还提供了一个强大的新框架来研究宇宙如何发展。研究人员计划利用它探索气体在星系之间的运动、大爆炸遗留下来的辐射影响以及以特别高的速度形成星星的区域的出现。通过将这些预测与来自詹姆斯·韦布太空望远镜、南希·罗曼太空望远镜和其他仪器的观测放在一起，科学家希望构建宇宙最早阶段的更完整的图景。