由Lumina模拟生成的宇宙网络渲染图。
本报讯 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，为探索宇宙大爆炸后的演化提供了一条新的途径。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·格雷斯·罗曼空间望远镜（以下简称罗曼）等高性能仪器的观测数据。10月26日，相关研究成果发表于英国《皇家天文学会月报》。
Lumina通过模拟普通物质、暗物质与辐射之间的相互作用，重建了宇宙诞生之初的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比较，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，天文学家一直在研究宇宙空间，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，这些假设可以转化为详细的模拟，从而预测宇宙的运行规律。如果望远镜的观测结果与这些预测相符，便能进一步增强人们对现有理论的信心；一旦出现意料之外的差异，则可能暗示存在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新领域。”论文第一作者、哈佛-史密森天体物理中心的Oliver Zier表示，“要理解这台望远镜观测到的现象，我们需要将理论转化为详细的预测。经过数年的努力和无数的波折，如今看到模拟结果并目睹我们的预测在视频中成为现实，真是令人无比欣慰。”
Lumina是迄今规模最大的宇宙辐射流体动力学模拟项目。它用高性能计算机计算了早期宇宙演化过程中，气体、暗物质和光之间的相互影响。通过追踪宇宙大爆炸后最初20亿年间的相互作用，研究人员得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了周围巨大的气体云。
Lumina模拟的空间体积比此前同类项目涵盖的范围大了100多倍。它的虚拟宇宙是一个边长约15亿光年的立方体，提供的宇宙演化视角与当今最先进的望远镜相当。
Lumina对于氦再电离的处理也取得了重大进展。氦再电离是指辐射从氦原子中剥离电子的过程。这是首次模拟跟踪了这一转变过程，同时计算了它对周围宇宙的影响。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的Aaron Smith表示：“我们首次能够在如此广阔的宇宙空间中追踪氢和氦转变为现代形态的过程，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。研究团队动用了美国橡树岭国家实验室的超级计算机Frontier上的1.5万多个图形处理器。Frontier是全球最快的超级计算机之一。
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、星系和黑洞的形成过程。
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。研究人员计划用它来探索星系间气体的流动、宇宙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。（文乐乐）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1093/mnras/stag1469
