科学家开发了迄今为止最大、最详细的早期宇宙模型
这一切都始于大约138亿年前，一个巨大的宇宙“爆炸”使宇宙突然而壮观地诞生。不久之后，婴儿时期的宇宙急剧冷却，完全变暗。
然后，在大爆炸发生后的数亿年内，当引力将物质聚集到第一批恒星和星系中时，宇宙觉醒了。这些第一批恒星发出的光把周围的气体变成了热的电离等离子体——这是一种被称为宇宙再电离的关键转变，将宇宙推进到我们今天看到的复杂结构中。
现在，科学家们可以通过麻省理工学院（MIT）、哈佛大学（Harvard University）和马克斯·普朗克天体物理研究所（Max Planck Institute for Astrophysics）的科学家开发的一种新的模拟方法，详细了解宇宙在这一关键时期可能如何展开。
以伊特鲁里亚黎明女神的名字命名，Thesan被设计用来模拟“宇宙黎明”，特别是宇宙再电离，这一时期一直很难重建，因为它涉及极其复杂、混乱的相互作用，包括重力、气体和辐射之间的相互作用。
Thesan模拟以最高的细节和之前任何模拟的最大容量解决了这些交互。它将星系形成的真实模型与跟踪光与气体相互作用的新算法以及宇宙尘埃模型相结合，从而实现了这一目标。
有了太阳，研究人员可以模拟一个跨越3亿光年的宇宙立方体积。他们在时间上向前运行模拟，追踪这个空间中数十万个星系的首次出现和演化，从大爆炸后大约40万年开始，一直到最初的10亿年。
到目前为止，这些模拟与天文学家对早期宇宙的少数观测一致。随着对这一时期进行更多的观测，例如使用新发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，太阳可能有助于将此类观测置于宇宙背景中。
目前，这些模拟已经开始揭示某些过程，比如光在早期宇宙中可以传播多远，以及哪些星系负责再电离。
“太阳是通向早期宇宙的桥梁，”麻省理工学院卡夫利天体物理和空间研究所NASA爱因斯坦研究员亚伦·史密斯说。“它旨在为即将到来的观测设施提供理想的模拟，这些设施将从根本上改变我们对宇宙的理解。”
史密斯和麻省理工学院物理学副教授马克·沃格尔斯伯格、哈佛-史密森天体物理中心的拉胡尔·坎南以及马克斯·普朗克的恩里科·加拉迪通过三篇论文介绍了泰山模拟，第三篇论文今天发表在《皇家天文学会月报》上。
跟着灯走
在宇宙再电离的早期阶段，宇宙是一个黑暗且同质的空间。对于物理学家来说，这些早期“黑暗时代”的宇宙演化相对来说比较容易计算。
“原则上，你可以用笔和纸来解决这个问题，”史密斯说。“但在某个时刻，重力开始把物质拉到一起并使其崩塌，起初速度很慢，但后来速度太快，以至于计算变得太复杂，我们必须进行全面的模拟。”
为了完全模拟宇宙再电离，该团队试图尽可能多地包含早期宇宙的主要成分。他们从他们的团队之前开发的一个成功的星系形成模型开始，该模型名为Illustris TNG，已被证明能准确模拟演化星系的性质和数量。然后，他们开发了一个新的代码，将来自星系和恒星的光如何与周围的气体相互作用并重新电离——这是一个极其复杂的过程，其他模拟无法在大范围内准确再现。
Kannan说：“Thesan追踪了这些最初的星系发出的光如何在最初的十亿年里与气体相互作用，并将宇宙从中性转变为电离态。”。“通过这种方式，我们会随着再电离过程的展开而自动进行。”
最后，该团队还包括了一个宇宙尘埃的初步模型——这是早期宇宙模拟的另一个独特特征。这个早期的模型旨在描述微小的物质颗粒如何影响早期稀疏宇宙中星系的形成。
宇宙桥
有了模拟的成分，该团队根据对大爆炸遗留光的精确测量，设定了大爆炸后大约40万年的初始条件。然后，他们利用世界上最大的超级计算机之一的SuperMUC NG机器，将这些条件向前发展，以模拟宇宙的一块区域。这台机器同时利用60000个计算核心，在相当于3000万CPU小时的时间内（在一台台式机上运行这项工作需要3500年）执行桑的计算。
这些模拟产生了宇宙再电离的最详细视图，跨越了现有模拟中最大的空间体积。虽然有些模拟跨越大距离建模，但它们的分辨率相对较低，而另一些更详细的模拟不跨越大体积。
Vogelsberger强调：“我们正在连接这两种方法：我们有大容量和高分辨率。”。
对这些模拟的早期分析表明，在宇宙再电离即将结束时，光能够传播的距离比科学家先前假设的要大得多。
“泰桑发现光在宇宙早期不会传播很远的距离，”坎南说。“事实上，这个距离非常小，只有在再电离结束时才会变大，仅在数亿年内就增加了10倍。”
研究人员还发现了导致再电离的星系类型的线索。一个星系的质量似乎会影响再电离，不过该团队表示，詹姆斯·韦伯和其他天文台进行的更多观测将有助于确定这些主要星系。
“在[宇宙再电离的建模]中有很多运动部件，”沃格尔斯伯格总结道。“当我们把这些都放在某种机器中，开始运行它，它会产生一个动态的宇宙，这对我们所有人来说都是一个非常有益的时刻。”
这项研究得到了美国国家航空航天局、国家科学基金会和高斯超级计算中心的支持。
