它看起来像在黑暗中闪烁的萤火虫。慢慢地，越来越多的东西聚集在一起，照亮了屏幕上的大块大块的东西。
但这不是一个关于昆虫的视频。这是对早期宇宙的模拟，在大爆炸之后，宇宙从一片漆黑变成了一片明亮的环境。
这段令人惊叹的视频是被《皇家天文学会月报》接受的三篇论文中描述的一系列大型模拟的一部分。由哈佛大学天体物理中心的研究人员创建。史密森尼，麻省理工学院，和马克斯·普朗克天体物理研究所，这些模拟代表了在模拟第一个星系的形成和再电离方面的巨大进步中性氢原子在空间中转变成带正电或电离的氢的过程，使光在宇宙中传播
这个模拟的时期，被称为再电离时期，发生在大约130亿年前，重建起来非常困难，因为它涉及到非常复杂、混乱的相互作用，包括重力、气体、辐射或光之间的相互作用。
“大多数天文学家没有实验室来进行实验。空间和时间的尺度太大了，所以我们能做实验的唯一方法就是在计算机上，”Rahul Kannan解释道，他是天体物理中心的天体物理学家，也是该系列第一篇论文的主要作者。“我们可以用基本的物理方程和控制理论模型来模拟早期宇宙的情况。”
该团队的模拟——以伊特鲁里亚黎明女神的名字命名——以最高的细节和最大的体积解析了早期宇宙的相互作用。早期宇宙中的物理学被捕获到比模拟区域小一百万倍的尺度，提供了早期星系特性以及这些星系的光如何影响气体的前所未有的细节。
该团队通过将星系形成的现实模型与一种新的算法结合在一起来实现这一点，该算法可以跟踪光与气体的相互作用，以及一个宇宙尘埃的模型。
通过“桑”，研究人员可以模拟出宇宙中跨越3亿光年的一部分。该团队可以及时运行模拟程序，跟踪和可视化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。
模拟揭示了宇宙从完全黑暗到光明的逐渐变化。
“这有点像装在冰块盒里的水;当你把它放进冰箱时，它确实需要时间，但一段时间后，它开始在边缘结冰，然后慢慢地爬进来，”研究合著者亚伦·史密斯说，他是麻省理工学院卡弗里天体物理和空间研究所NASA爱因斯坦研究员。“这与早期宇宙的情况相同——它是一个中性的、黑暗的宇宙，随着光开始从第一批星系中出现，它变得明亮和电离。”
这些模拟是为詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的观测做准备的，该望远镜将能够比哈勃太空望远镜等前辈更早地观测——大约135亿年。
“很多新上线的望远镜，比如JWST，都是专门为研究这个时代而设计的，”坎南说。“这就是我们的模拟发挥作用的地方;他们将帮助我们解释这一时期的真实观察，并理解我们所看到的。”
该团队解释说，真实的望远镜观测和数据将很快与桑的模拟进行比较。
“这是有趣的部分，”该研究的合著者、麻省理工学院物理学副教授Mark Vogelsberger说。“要么我们的桑山模拟和模型将与JWST的发现一致，这将证实我们的宇宙图像，要么将出现重大分歧，表明我们对早期宇宙的理解是错误的。”
然而，在第一次观测到来之前，这个团队还不知道他们的模型在各个方面的表现如何。第一次观测将涵盖广泛的主题，包括星系属性和早期宇宙中光的吸收和逃逸。
“基于我们所知道的，我们已经开发了模拟，”坎南说。“但是，尽管科学界近年来已经了解了很多，但仍然有很多不确定性，特别是在宇宙非常年轻的早期时期。”
这些模拟是使用世界上最大的超级计算机之一supermu – ng完成的，耗时3000万cpu小时。在一台普通计算机上完成同样的模拟需要3500年以上的时间。
组成桑小组的其他科学家是CfA的Lars Hernquist;以及马克斯·普朗克天体物理研究所的恩里科·加拉尔迪、鲁迪格·帕克莫尔和沃尔克·斯普林格尔。
文章旨在传播新闻信息，原文请查看https://news.harvard.edu/gazette/story/2022/03/simulations-show-formation-of-universes-first-light/