科学家创建了有史以来规模最大、细节最丰富的早期宇宙模型之一，为探索大爆炸后宇宙的演化提供了新途径。这一名为“Lumina”的模型由美国哈佛-史密森天体物理中心的研究人员构建，旨在帮助天文学家解读来自詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）和南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜等高性能仪器观测到的数据。10月26日，相关研究成果发表于英国《皇家天文学会月报》。

由Lumina模拟生成的宇宙网示意图。图片来源： Oliver Zier

Lumina通过模拟普通物质、暗物质与辐射之间的相互作用，重构了宇宙诞生的最初20亿年。通过将Lumina的预测结果与JWST、罗曼及其他望远镜的观测数据进行对比，科学家能够评估现有理论对宇宙演化的解释能力，并识别出那些可能挑战人类对宇宙基本规律理解的新发现。

几个世纪以来，天文学家一直致力于研究星空，并试图解释恒星、星系及其他宇宙结构的形成。如今，借助现代超级计算机，这些理论可以转化为详细的模拟，从而预测宇宙的运行规律。当望远镜的观测结果与这些预测相符时，便进一步增强人们对现有理论的信心；若出现意料之外的差异，则可能暗示一些科学家尚未完全理解的物理过程。

“随着JWST投入使用，早期宇宙已成为天体物理学中一个激动人心的前沿。”论文第一作者、哈佛-史密森天体物理中心的研究员Oliver Zier表示，“要理解这台望远镜所观测到的现象，我们需要将理论转化为详细的预测。经过数年的努力，历经诸多波折，如今看到模拟结果并目睹我们的预测在视频中生动呈现，这种成就感难以言喻。”

Lumina是迄今为止规模最大的宇宙学辐射流体动力学模拟项目。简单来说，它利用高性能计算机计算在早期宇宙演化过程中，气体、暗物质和光是如何相互影响的。通过追踪大爆炸后最初20亿年间的这些相互作用，研究人员得以探究最早的星系如何形成，以及它们的活动如何改变周围巨大的气体云。

Lumina所涵盖的空间体积比此前同类项目所涵盖的要大100多倍。其虚拟的宇宙是一个边长约15亿光年的立方体，规模与当今最先进望远镜所能观测到的广阔区域相当。

Lumina在氦再电离方面也取得了重大进展。氦再电离是指辐射从氦原子中剥离电子的过程。这是首次有此类模拟在追踪这一转变过程的同时，还能同步计算其对周围宇宙的影响。这使科学家能够研究演化中的星系、辐射以及星系间气体之间的关系。

论文作者、美国得克萨斯大学达拉斯分校物理学助理教授Aaron Smith表示：“我们首次在如此广阔的宇宙空间中追踪氢和氦转变为现代形态的全过程，同时还能分辨出驱动这一转变的星系及其他发光天体。”

重现如此浩瀚的宇宙历史需要非凡的计算资源。研究团队动用了位于美国橡树岭国家实验室的Frontier（全球最快超级计算机之一）的1.5万多个图形处理器。

如此强大的算力让研究人员得以在不牺牲研究单个星系及其他重要结构所需的精细细节的前提下，模拟异常广阔的早期宇宙区域。因此，Lumina既能捕捉宇宙的整体演化，又能追踪恒星、星系和黑洞形成过程的相关细节。

除了重现宇宙历史之外，Lumina还为研究宇宙如何演化提供了一个强大的新框架。研究人员计划利用它来探索星系间气体的流动、大爆炸遗留辐射的影响，以及恒星形成率特别高的区域的涌现过程。

相关论文信息：https://doi.org/10.1093/mnras/stag1469