Lumina模拟：再现宇宙黑暗时代到首个星系诞生

随着大爆炸，宇宙从一团炽热而致密的电子和亚原子粒子汤中诞生。这种最初比单个原子还小的原始电离等离子体迅速膨胀并冷却。在这一过程中，粒子汤中的粒子速度逐渐减慢，足以与电子结合，形成电中性的氢原子。

随着这些中性氢不断积累，其效果就像一层屏障，阻止光和其他形式的辐射自由穿过。大约在大爆炸后38万年，宇宙陷入了一个宇宙"黑暗时代"。

现在，一项新的计算机模拟为科学家提供了一个详细的视角，展示了最初的星系、恒星和其他结构是如何从那个时期开始演化，最终使宇宙摆脱黑暗时代的。

在今天发表于《英国皇家天文学会月刊》（MNRAS）的一篇论文中，来自麻省理工学院、哈佛大学等机构的物理学家们展示了Lumina——一个大体积、高分辨率的模拟系统，追踪了早期宇宙从黑暗时代到之后20亿年宇宙演化的全过程。

两次关键转变

Lumina覆盖了早期宇宙中一片巨大的区域，跨度达500兆帕秒，约合16亿光年宽。在这个空间内，该模拟追踪了暗物质、气体、恒星和辐射（如光子）在巨大宇宙尺度上的演化，同时也能聚焦到单个发育中星系的细节。

在Lumina模拟的20亿年间，它捕捉到了宇宙历史上两次重大转变的出现：氢的再电离和氦的再电离。

氢再电离是指早期恒星能够释放出足够多的紫外线，与中性氢发生相互作用并剥离其电子的时期。这种"再电离"阻止了氢吸收光子，从而使光能够自由传播。氢再电离帮助揭开了中性氢的面纱——这一过程是Lumina首次详细捕捉到的。

该模拟还追踪了氦的再电离，这是一个与氢再电离类似的过程，其中能量更高的光打破了中性氦原子。

在其详细的模拟中，Lumina揭示出氢再电离很可能是由早期星系和恒星发出的光驱动的。相比之下，氦再电离则是由处于活跃吸积阶段的更早期、更具能量的超大质量黑洞所推动的。综合来看，这是模拟首次同时捕捉到氢和氦的再电离过程。

"Lumina涵盖了从小尺度的恒星和星系形成，到大尺度的氢、氦再电离的全部过程，其模拟体积比以往最好的模拟大100倍，"该研究的作者、麻省理工学院物理学教授马克·沃格尔斯伯格表示。

他和同事们正在向科学界开放Lumina，以便科学家们能够将其对早期宇宙结构演化的详细模拟，与新一代及未来望远镜拍摄的快照进行比较。这样，他们或许能够开始拼凑出塑造宇宙中最初星系、恒星和结构的具体过程。

该研究的麻省理工学院合著者包括沈学健（音译）和特奥多拉-埃琳娜·布卢伊基。其他作者包括第一作者奥利弗·齐尔（沃格尔斯伯格实验室的前博士后）、荣荣·刘、索尼娅·科勒，以及哈佛与史密森天体物理中心的拉斯·赫恩奎斯特；德克萨斯大学达拉斯分校的亚伦·史密斯；加拿大约克大学的拉胡尔·坎南；以及德国马克斯·普朗克天体物理研究所的沃尔克·斯普林格尔和吕迪格·帕克莫尔。

宇宙级计算

Lumina的名字源自拉丁语，意为"光"。Lumina的核心建立在IllustrisTNG之上，这是此前由麻省理工学院等机构的科学家（包括Lumina团队的部分成员）开发的项目。IllustrisTNG是一个大规模模拟系统，追踪了从大爆炸到今天，暗物质、气体以及参与星系形成的其他过程之间的相互作用。

在构建Lumina的过程中，团队对IllustrisTNG的代码进行了优化，使模拟能够以同样的细节水平追踪星系的形成，但覆盖的体积要大得多。他们将这一升级后的星系模型与辐射传输模型相结合，后者模拟了紫外线等不同形式的辐射在极其巨大的宇宙尺度上如何相互作用，从而捕捉到氢再电离等过程。

这一全新且改进的模拟能够在巨大尺度上解析极其精细的细节。实际上，该模拟包含了5000亿个独立元素，包括暗物质粒子和气体单元，分辨率约为IllustrisTNG的30倍。Lumina捕捉到所有这些细节，并将其随时间向前演化，覆盖范围约为500兆帕秒的巨大区域，体积是以往模拟的100倍。

在20亿年的宇宙时间跨度内、在极大和极小的尺度上对每一个单元进行计算，需要庞大的计算能力。该团队在田纳西州橡树岭国家实验室的"前沿"（Frontier）超级计算机上运行了Lumina，这是世界上最强大的超级计算机之一。

"在峰值规模下，这项计算汇集了相当于超过10万个CPU核心和约1.5万个GPU的算力，"沈学健说。"让所有这些处理器在不断演化数万亿个相互作用信息片段的同时高效通信，本身就是计算机工程领域的一项非凡成就。"

全程缩放

Lumina的模拟始于大爆炸后约4500万年，正值黑暗时代之中，当时中性氢主导着早期宇宙。研究人员为模拟设定的初始条件，近似于物理学家理论推测在那样一个黑暗宇宙时期应该存在的状态。

随后，他们让Lumina运行，计算那个时期以气体和暗物质形式存在的物质，是如何在模拟的5000亿个单元中相互作用的。同时，该模拟还计算了辐射（例如来自恒星的紫外线）在何处、以何种方式产生并与周围环境相互作用。

在项目网站上，团队提供了多个视频，展示了Lumina所模拟的不同尺度、时间段、物理过程以及宇宙结构层次。例如，从完整的大尺度宇宙区域"缩放"到单个盘状星系；以及覆盖20亿年、展现氢随时间再电离模式的全volume延时视频。

"一方面，它在演化宇宙中的暗物质和气体；另一方面，它也在追踪辐射的传播方式，"齐尔解释道。"我们看到暗物质和气体开始在这些高密度区域聚集。当我们放大时，可以看到气体正在坠入这些暗物质晕中。再进一步放大，我们会看到这正是最初星系形成的地方。而最初的恒星则在这些最初星系中形成。这些恒星随后产生辐射。模拟接着追踪这种辐射，我们可以缩小视角，观察辐射如何从恒星传播出去，穿越宇宙，直到某个时刻使部分中性氢电离。"

"其他模拟无法像这个一样放大到如此程度，"沃格尔斯伯格指出。"我们所模拟的最小和最大尺度之间的差异，比其他任何模拟都大。"

展望未来，该团队计划将Lumina应用于绘制早期宇宙的大尺度结构图。该模拟还可以帮助预测早期星系和黑洞可能产生的引力波模式。Lumina模拟出的任何结果，很快都可能与新一代及未来望远镜的实际观测数据进行比较。

"Lumina的一个主要优势在于其庞大的规模，"沈学健说。"它生成了大量的模拟星系群体，终于使我们能够与即将开展的巡天观测将观测到的超大规模星系样本进行比较。"

这项研究得到了美国国家航空航天局（NASA）和美国国家科学基金会的部分资助，并使用了田纳西州橡树岭国家实验室橡树岭领导计算设施的资源，该设施由美国能源部科学办公室的先进科学计算研究项目支持。