由哈佛与史密森尼天体物理中心（Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）学者领衔的研究团队在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上发表了一项最新研究成果。该研究通过对普通物质、暗物质以及辐射之间相互作用的精确建模，成功重现了宇宙诞生后的前20亿年演化史。通过将Lumina模拟的预测结果与詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）、南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（Roman）以及其他望远镜的实际观测数据进行对比，科学家能够评估现有理论对宇宙演化的解释程度，并寻找可能挑战现有基础物理定律的新发现。
长期以来，天文学家一直致力于研究星空，并构建关于恒星、星系及其他宇宙结构形成的理论解释。现代超级计算机使得将这些理论转化为详细的数值模拟成为可能，从而预测宇宙应当如何运转。当望远镜的实际观测与这些理论预测相吻合时，便会增强学界对现有理论的信心；然而，任何意料之外的差异，都可能指向科学家尚未完全理解的物理过程。
该论文的第一作者、哈佛与史密森尼天体物理中心ITC学者Oliver Zier表示：“借助JWST，早期宇宙已经成为天体物理学中一个令人兴奋的新前沿。为了理解我们通过望远镜所看到的一切，我们需要将理论转化为详尽的预测。经过数年的努力，经历了许多起伏，看到模拟结果并目睹我们的预测在视频中生动呈现，这是极其令人回报的体验。”
重现宇宙最初的20亿年
Lumina是迄今为止规模最大的宇宙辐射流体力学模拟。简而言之，它利用强大的计算能力来计算在年轻宇宙发育过程中，气体、暗物质和光线是如何相互影响的。通过追踪大爆炸后最初20亿年内的这些相互作用，研究人员得以审视最早的星系是如何形成的，以及它们的活动如何改变了环绕其四周的巨型气云。
该模拟所涵盖的空间体积比以往同类项目大100多倍。其虚拟宇宙跨越了一个每边长约15亿光年的立方体，提供了与当今最先进望远镜所能研究的广袤区域相媲美的宇宙演化全景视野。
另一项重大进展是Lumina对氦再电离过程的处理——这是一个辐射剥离氦原子电子的过程。这是此类模拟首次在追踪该转变发生的同时，兼顾其对周围宇宙产生的整体影响。这使科学家能够深入研究演化中的星系、辐射以及充斥于星系间空间的弥散气体三者之间的复杂关系。
德克萨斯大学达拉斯分校物理学助理教授、该论文的共同作者Aaron Smith表示：“我们感到非常幸运能够构建像Lumina这样的模拟。我们首次能够见证氢和氦在宇宙如此宏大的体积范围内演变为其现代形态的全过程，同时还能解析驱动这一转变的星系及其他发光天体。”
超级计算机赋能虚拟宇宙
重现如此庞大的宇宙历史片段，需要非同寻常的计算资源。研究团队使用了田纳西州橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）全球最快的超级计算机之一Frontier上的15,000多块图形处理单元（GPU）。
这种强大的算力使得研究人员能够在不牺牲研究单个星系及其他重要结构所需的精细分辨率的前提下，模拟早期宇宙中极其广阔的区域。因此，Lumina既能捕捉宏观层面的宇宙演化大局，又能追踪恒星、星系及黑洞形成过程中的微观细节。
检验早期宇宙的奥秘
除了重现宇宙历史，Lumina还为探索宇宙的发展过程提供了一个强有力的全新框架。研究人员计划利用它来深入探索星系间气体的运动、大爆炸遗留辐射的影响，以及恒星以极高速度形成的区域的涌现机制。
通过将这些理论预测与詹姆斯·韦布空间望远镜、南希·罗曼太空望远镜以及其他仪器的观测结果进行对照，科学家期望拼凑出一幅关于宇宙最早章节的更完整的拼图。模拟宇宙与真实宇宙之间任何未曾预料的差异，都可能提供宝贵的线索，潜在地揭示出我们需要对现有理论进行何种修正或重新审视。