关于宇宙历史最初十亿年，即宇宙从黑暗时代中出现，最早的恒星和星系开始出现的时代，仍然存在许多谜团。现在，科学家们开发了迄今为止最大、最详细的该时期计算机模型，以帮助揭示早期宇宙是如何演化的。这个名为 THESAN 的新项目，以伊特鲁里亚的黎明女神命名，其对原始过去的预测将很快通过 NASA 最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 和其他下一代天文台的数据进行测试。
在大爆炸之后不久，大约 138 亿年前，宇宙充满了宇宙雾。创造的热量非常巨大，以至于电子无法与质子和中子结合形成原子，空间中充满了稠密的等离子体汤——带电（或电离）粒子，它们散射而不是传播光。大约 38 万年后，在所谓的复合时代，这种宇宙雾短暂地消散了，当时宇宙充分冷却，使原子从等离子体中冻结出来，形成光学透明、电中性的氢气云。突然解放出来的大爆炸余辉的光芒闪耀整个宇宙，然后又褪回黑暗，因为恒星尚未形成。
接下来的数亿年，黑暗笼罩着宇宙，直到引力开始将物质聚集在一起形成恒星和星系。即便如此，黑暗也只是逐渐消散，因为来自宇宙最早发光物体的强烈紫外线重新电离了周围的中性氢，最终烧掉了气态的阴霾。这个“再电离时代”持续了超过五亿年，但科学家们对其细节知之甚少。他们确信的是，它的结束标志着宇宙时刻，届时来自整个电磁频谱的光——而不是仅仅能够穿透中性氢面纱的那部分——开始在太空中自由传播。简而言之，这就是宇宙最终变得清晰，供好奇的天文学家研究，以了解宇宙黎明究竟是如何发生的。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
但这并不是说此类研究很容易。为了看到来自如此古老时代的光，研究人员必须使用最大、最灵敏的望远镜来寻找尽可能遥远的物体。这是因为物体的距离越大，其光到达地球所需的时间就越长——并且光衰减得也越多。
计算宇宙黎明
获得对这个逝去时代的见解的另一种方法是在计算机上模拟它。麻省理工学院的天体物理学家亚伦·史密斯解释说，再电离的早期阶段相对容易重现，因为当时的宇宙相对黑暗且均匀。然而，随着原始物质自行分类成星系和恒星，引力、光、气体和尘埃之间复杂的相互作用变得越来越难以建模。史密斯是 THESAN 项目的三位共同负责人之一，另外两位是哈佛-史密森天体物理学中心的拉胡尔·卡南和德国加兴马克斯·普朗克天体物理学研究所的恩里科·加拉尔迪。
“由于模拟光非常复杂且计算成本很高，因此只有少数宇宙学模拟专注于探索这个时代，”卡南说。“这些宇宙学模拟各有优缺点。”
THESAN 旨在以前所未有的程度模拟早期宇宙。一些宇宙学模拟，例如 宇宙黎明 (CoDa) 模拟和 计算机上的宇宙再电离 (CROC) 项目，以相对较低的分辨率模拟了大量体积，而另一些，例如 文艺复兴 和 SPHINX 模拟，则更详细，但不跨越很大的距离。相比之下，THESAN “将高分辨率与大的模拟体积相结合”，卡南说。
佐治亚理工学院的天体物理学家约翰·怀斯说：“通常在详细研究星系形成和宇宙再电离之间存在权衡，但 THESAN 设法两者兼顾。”他没有参与 THESAN 的工作。
THESAN 的开发者以旧的一系列名为 Illustris-TNG 的模拟为基础构建了它，这些模拟已被证明可以准确地模拟演化星系的许多属性和种群。他们接下来开发了一种新算法来模拟来自恒星和星系的光如何在宇宙最初十亿年中与其周围的气体相互作用并使其再电离——这是以前的模拟未能成功地大规模纳入的细节。最后，THESAN 团队纳入了一个早期宇宙中宇宙尘埃如何影响星系形成的模型。
斯坦福大学宇宙学家、卡弗里粒子天体物理学和宇宙学研究所主任瑞莎·韦克斯勒说：“他们结合了两个最先进的模型，并添加了一些内容——看起来真的很有趣。”她没有参与 THESAN。
扩大规模
THESAN 可以追踪跨度超过 3 亿光年的立方体体积内数十万个星系的诞生和演化。从大爆炸后约 40 万年开始——在第一批恒星被认为出现之前——模拟推断到宇宙历史的最初十亿年。为了做到这一切，THESAN 在世界上最大的超级计算机之一 SuperMUC-NG 上运行，该计算机使用了近 6 万个计算机处理核心，在相当于 3000 万个 CPU 小时的时间内执行模拟计算。（从角度来看，同样的计算壮举将需要一台典型的台式计算机进行 3500 年的专门数字运算。）
约翰·霍普金斯大学的天体物理学家布赖恩·韦尔奇说：“对我来说，THESAN 模拟最令人兴奋的事情之一是分辨率的提高。”他没有参与 THESAN 的工作。“他们似乎能够将星系内产生电离光子的小尺度结构与那些光子驱动再电离时代的更大尺度星系际介质联系起来。然后，模拟可以帮助确定电离光子是如何从星系中逃逸的，从而确定这些星系是如何驱动再电离的。”
韦尔奇和他的同事最近使用哈勃太空望远镜发现了迄今为止探测到的最遥远的单颗恒星，名为 Earendel，其历史可以追溯到宇宙仅 9 亿年时。他说，尽管 THESAN 无法模拟像 Earendel 这样的单个恒星，“因为这将需要过多的计算能力”，但它仍然可以揭示 Earendel 及其同类形成所在的星系中的条件。
研究人员表示，THESAN 已经产生了关于早期宇宙的预测。例如，它表明，在再电离接近尾声时，光传播的距离比之前认为的增加得更显著——在数亿年的时间里增加了 10 倍——这可能是因为以前较低分辨率的模拟遗漏了那些需要更长时间才能电离的致密气体团。
然而，卡南说，THESAN 的一个缺点是它对星系中的冷致密气体使用了相对简单的模型。THESAN 团队目前正在进行一个名为 THESAN-ZOOMS 的后续项目，以用“一个更复杂的模型来取代这个模型，该模型考虑了许多影响这种致密气体特性的额外物理过程”，他指出。
卡南说，THESAN 的另一个缺点是，它模拟的体积可能太小，无法准确地指出早期宇宙如何演化的关键细节，例如电离透明气体的团块的大小和数量。科学家们目前正计划通过各种优化调整来扩大模拟规模，使其体积扩大 64 倍，以提高其整体性能，他说。
预期与现实
THESAN 预测的任何缺陷是否会产生有意义的影响，很快可能会被 JWST 的最新观测结果揭示，JWST 旨在观察第一批恒星和星系。THESAN 虚拟宇宙中合并的恒星和星系是否会反映 JWST 光学器件所见的古代物体种群？研究人员渴望找出答案。美国宇航局戈达德太空飞行中心的理论天体物理学家亚伦·杨说，早期宇宙中微弱星系的模型的建立对恒星形成等现象中的不确定性非常敏感，“这些现象仍然存在很大争议”，他没有参与 THESAN 的工作。可能成功模拟已知星系的模拟“可能会对微弱种群给出不同的预测。[JWST] 将首次探测到这些星系，并为驱动这些星系形成的物理学提供约束。”
史密斯说，到今年年底，JWST 将能够收集足够的数据来测试 THESAN 在许多星系属性预测方面的能力。“我们已经在与参与 JWST 的天文学家合作，以解释今年将可获得的数据。”
怀斯帮助开发了文艺复兴模拟，他说：“我的直觉告诉我，JWST 将与 CoDa、CROC 和 THESAN 中建模的明亮星系的统计数据相匹配。”“然而，它们没有足够的分辨率来模拟低质量和小星系，而文艺复兴和 SPHINX 将更匹配。”他认为，天体物理学家很可能会结合这两种类型的模拟来解释 JWST 对古代星系的观测。
没有人期望 THESAN 或任何其他再电离时代模拟能够完全正确地模拟一切。“即使 THESAN 的分辨率相当高，但与实际发生的物理过程相比，它仍然是低分辨率的，”韦克斯勒说。“当来自天文台的数据和来自模拟的见解协同工作时，就会取得进展。这种相互作用令人兴奋。”
加拉尔迪说，最终“我们将需要比 JWST 更多的设备来确认早期宇宙中宇宙演化的完整图景”。“各种仪器覆盖广泛的波长范围对于理解这个时代的各个方面是必要的。”这些仪器包括氢再电离时代阵列 (HERA)、平方千米阵列 (SKA)、弗雷德·扬亚毫米波望远镜 (FYST)、宇宙历史、再电离时代和冰探测器分光光度计 (SPHEREx) 以及 NASA 的下一个旗舰天体物理天文台，南希·格雷斯·罗曼太空望远镜。THESAN 等雄心勃勃的计算机模型最终可能有助于科学家理解这些项目将带来的海量数据。
史密斯指出，“THESAN 旨在尽可能多地对这些观测结果进行预测。”“与数据的差异通常同样令人兴奋，因为这告诉我们我们的模型存在缺陷，迫使我们重新考虑这些复杂过程的潜在物理原理。”