重现宇宙诞生后的最初20亿年

大爆炸之后，宇宙中充满了炽热而致密的等离子体，其中的原子核、电子和光子不断相互作用。随着宇宙不断膨胀和冷却，大约在大爆炸后38万年，电子逐渐与原初原子核（主要是氢和氦的原子核）结合，形成中性原子。光子也因此开始在宇宙中自由传播，并随着宇宙膨胀不断冷却，成为今天观测到的宇宙微波背景。

随后，宇宙进入了一个被称为“黑暗时期”的阶段。在这一时期之前，神秘的暗物质就已经在引力作用下逐渐聚集。而在进入黑暗时期后，普通物质更容易落入暗物质形成的引力势阱。在接下来漫长的演化过程中，气体进一步聚集、冷却和坍缩，最终孕育出第一批恒星。

这些最初的恒星释放出大量高能紫外光，使周围的中性氢重新失去电子，逐渐改变星系之间广阔空间中气体的电离状态。这一过程被称为宇宙再电离。

这段视频展示了在红移z=3时，镜头穿越一个大质量暗物质晕的过程：从大尺度宇宙环境逐渐深入暗物质晕内部的致密区域，直到视频末尾，一个个独立的星系逐渐显现。视频依次展示了整个系统中暗物质密度、气体密度、气体温度、气体金属丰度以及恒星光的分布。（视频/Lumina Simulation）

如今，一项新发表于《皇家天文学会月刊》的研究，为科学家重建这段遥远的宇宙历史提供了前所未有的详细视角。这项名为Lumina的大规模、高分辨率宇宙模拟，从大爆炸后约4500万年开始，追踪了此后约20亿年间的宇宙演化。借助这项模拟，研究人员得以详细了解最早的恒星、星系及其他宇宙结构可能如何形成和演化，以及它们如何逐渐改变早期宇宙，使宇宙最终走出黑暗时期。

在计算机中重建宇宙早期

Lumina的名称源自拉丁语，意为“光”。它的模拟覆盖了一个边长约15亿光年（500兆秒差距）的立方体宇宙空间，其尺度与当今最强大的望远镜所能观测的宇宙区域相当。模拟包含约5000亿个计算单元，包括暗物质粒子和气体单元。其模拟体积是此前同类模拟的100多倍，能够在极大的空间尺度上，解析单个星系形成和演化的细节。

要同时模拟如此庞大的宇宙空间和精细的物理过程，需要极其强大的计算能力。研究团队利用世界上最强大的超级计算机之一——Frontier，在计算峰值时动用了超过10万个CPU核心和约1.5万个GPU，才得以重现早期宇宙约20亿年间的演化历程。

两次关键的转变

研究人员将星系形成模型与辐射输运模型相结合，模拟紫外光等不同形式的辐射如何在极其广阔的宇宙尺度上传播并与物质相互作用。在Lumina所模拟的20亿年间，它捕捉到了宇宙历史上的两次重大转变：氢再电离和氦再电离。

氢再电离发生在早期恒星开始释放大量高能紫外光之后。这些紫外光与星系际空间中的中性氢相互作用，使氢原子失去电子，逐渐转变为电离状态。随着这一过程不断推进，原本会被中性氢吸收的部分紫外辐射，开始能够传播到更远的地方。

氦再电离与之类似，但需要能量更高的光子。在这一过程中，已经失去一个电子的氦离子进一步失去剩余的电子，转变为完全电离的状态。

详细模拟结果表明，氢再电离主要由恒星驱动。相比之下，氦再电离主要由处于活跃吸积阶段的超大质量黑洞驱动。

这是首次在如此大规模、高分辨率的宇宙模拟中，自洽地追踪了氢和氦的再电离过程，以及它们对宇宙环境的影响。

从宇宙全景到星系细节

Lumina的重要价值，不仅在于它能够重现早期宇宙的演化，还在于它能够跨越极其广阔的空间尺度，将暗物质和气体的聚集、第一批恒星和星系的形成，以及它们产生的辐射如何改变宇宙环境，联系在同一幅完整的演化图景中。

这段视频展示了在Lumina模拟中，镜头从整个模拟宇宙空间快速放大，最终深入红移z=4时的一个大质量盘状星系。视频依次呈现了暗物质密度、气体速度、气体温度、多波段合成图像、气体金属丰度、三次电离氦（He III）的占比以及气体密度，直观展示了Lumina所能覆盖的巨大空间尺度跨度。（视频/Lumina Simulation）

目前，研究团队正将Lumina向科学界开放。随着韦布空间望远镜（JWST）等新一代观测设备不断揭示早期宇宙的细节，科学家可以将这些真实观测与Lumina的预测进行比较。尤其是模拟能够生成数量庞大的星系样本，使其有望与未来大规模巡天获得的观测数据进行系统比较。

通过这种模拟与观测的相互检验，研究人员不仅有望进一步理解宇宙中最早的恒星、星系和黑洞如何形成、演化，以及它们如何改变周围的宇宙环境，还能够检验现有的宇宙演化理论，并从模拟与观测之间的差异中寻找新的线索。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/watch-universe-emerge-from-dark-ages-with-lumina-1026

https://www.si.edu/newsdesk/releases/smithsonian-scientists-create-most-detailed-simulation-yet-early-universe

https://www.si.edu/newsdesk/releases/smithsonian-scientists-create-most-detailed-simulation-yet-early-universe

#图片来源：

封面及首图：Lumina collaboration