一项名为 Lumina 的新计算机模拟，正在为科学家提供一个更清晰的窗口，用来观察早期宇宙如何从宇宙“黑暗时代”演化到第一批星系、恒星以及重新电离的气体。相关研究发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》，把星系形成和辐射传输整合进同一个模型，并跟踪了长达 20 亿年的宇宙演化。
关键事实
- Lumina 从大爆炸后约 4500 万年开始，覆盖宇宙黑暗时代。
- 模拟范围达到 500 兆秒差距，约 16 亿光年。
- 它跟踪暗物质、气体、恒星和辐射，跨越 20 亿年的宇宙时间。
- 该项目基于 IllustrisTNG 模拟，并在橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机上运行。
- 研究团队表示，Lumina 首次在一个模拟中同时捕捉到氢重新电离和氦重新电离。
Lumina 对研究早期宇宙的科学家意味着什么
对于天文学家和宇宙学家来说，Lumina 提供了一种新的方式，去将理论与现有和未来望远镜的观测结果进行对照。研究团队表示，这个模拟会产生大量星系群体，可与未来巡天数据匹配，从而帮助缩小第一批星系和黑洞形成机制的范围。
它的重要性还在于把星系内部的恒星形成等小尺度过程，与大尺度宇宙重新电离联系起来。研究人员因此能够追踪早期星系中的紫外光以及超大质量黑洞发出的高能辐射，如何改变整个宇宙中氢和氦的状态。
- 影响对象：研究早期星系、宇宙重新电离和大尺度结构的科研人员。
- 它提供的内容：在比此前最佳模拟更大的体积内，输出更高分辨率的数据。
- 下一步：研究团队计划利用 Lumina 绘制早期大尺度结构，并预测可能的引力波模式。
Lumina 模拟的是什么？
Lumina 追踪暗物质、气体、恒星和辐射，覆盖早期宇宙中一片宽达 500 兆秒差距的区域。模拟从黑暗时代开始，那时中性氢占据主导地位，并一路推进到宇宙经历关键变化、氢和氦都重新电离的阶段。
研究人员表示，氢重新电离由早期星系和恒星发出的光推动，而氦重新电离则来自早期超大质量黑洞在活跃吸积阶段释放的更高能辐射。团队称，这是首个同时捕捉这两种过程的模拟。
为什么这项模拟重要？
研究人员认为，Lumina 弥合了极小尺度与极大尺度之间的一道重要鸿沟。它模拟了大约 5 万亿个单元，包括暗物质粒子和气体单元，分辨率约为 IllustrisTNG 的 30 倍，同时覆盖的体积约为此前模拟的 100 倍。
这种组合使研究人员能够追踪暗物质晕的形成、气体塌缩成星系的过程，以及来自第一批恒星的辐射如何向外传播。研究团队表示，这个模拟旨在帮助解读新一代和未来望远镜拍到的宇宙切片。
Lumina 是如何运行的？
这项计算需要巨大的超级计算资源。团队在田纳西州橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机上运行 Lumina，并表示峰值规模相当于超过 10 万个 CPU 核心和约 1.5 万个 GPU。
该项目建立在 IllustrisTNG 的基础上，而后者此前由麻省理工学院等机构的科学家开发。为了 Lumina，研究团队改进了那套代码，使其能在更大的宇宙体积中更细致地模拟星系形成，并将其与辐射传输物理结合起来。
接下来会发生什么？
研究团队计划用 Lumina 绘制早期宇宙的大尺度结构，并探索早期星系和黑洞可能产生的引力波模式。他们还表示，随着未来望远镜巡天数据陆续公布，这项模拟可以与这些观测结果进行比较。
因此，Lumina 不只是早期宇宙的视觉重建，它也是一个测试平台，用来检验当今模型中加入的物理规律，是否能重现天文学家在真实数据中预期看到的结构。
