早期宇宙中的相互作用——模拟宇宙的模拟成果

它看起来像萤火虫在黑暗中闪烁，慢慢地，越来越多，大块大块地点亮屏幕——这不是关于昆虫的视频，而是对早期宇宙的模拟。大爆炸之后的一段时间，宇宙从一个完全黑暗的地方转变为一个光彩照人的环境。这段令人惊叹的视频是《皇家天文学会月刊》接收的3篇论文中描述的一系列宇宙模拟成果的一部分。

该模拟视频由美国哈佛和史密森尼天体物理学中心、麻省理工学院和德国马克斯·普朗克天体物理研究所共同创建。这一成果代表了在模拟第一个星系形成和再电离过程方面取得的巨大进步，这一过程中，空间中的中性氢原子转化为带正电，使光在整个宇宙中传播。

被称为再电离时代的模拟时期发生在大约130亿年前，难以模拟重建的原因是，它涉及极其复杂、混乱的相互作用，包括重力、气体和辐射或光之间的相互作用。大多数天文学家做实验的唯一方法是在计算机上。研究人员利用基本的物理方程和控制理论模型来模拟早期宇宙中发生的事情。

研究团队此次模拟任务以伊特鲁里亚黎明女神Thesan命名，分析了早期宇宙中的相互作用，其内容是迄今最详细的，涵盖体积也最大，为早期星系的特性以及来自这些星系的光如何影响气体提供了前所未有的细节信息。

该团队将真实的星系形成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，进行了对早期宇宙的模拟。借助Thesan，他们可模拟跨越3亿光年的宇宙的一部分。运行该模拟程序，能及时跟踪和可视化该空间内数十万个星系的首次出现和演化，从大爆炸后约40万年开始，直至最初的十亿年。

这些模拟是使用世界上最大的超级计算机之一的SuperMUC-NG耗时3000万CPU小时创建的。在普通计算机上完成相同的模拟需要3500多年。

研究团队解释说，创建这些模拟是为詹姆斯·韦布太空望远镜的观测做准备，而真实的望远镜观测数据很快将与Thesan模拟进行比较。