天文学家揭示了宇宙早期再电离时代的非凡模拟

它看起来像萤火虫在黑暗中闪烁。慢慢地，越来越多，大块大块地点亮屏幕。但这不是关于昆虫的视频。这是对早期宇宙的模拟，大爆炸之后的一段时间，宇宙从一个完全黑暗的地方转变为一个光彩照人的环境。

这段令人惊叹的视频是皇家天文学会月刊接受的三篇论文系列中描述的一系列模拟的一部分。由天体物理学中心的研究人员创建|哈佛和史密森尼，麻省理工学院和马克斯普朗克天体物理研究所，这些模拟代表了模拟第一个星系的形成和再电离的巨大进步-空间中的中性氢原子转化为带正电的过程，或电离的氢，使光在整个宇宙中传播。

被称为再电离时代的模拟时期发生在大约130亿年前，并且很难重建，因为它涉及极其复杂、混乱的相互作用，包括重力、气体和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，所以我们可以做实验的唯一方法是在计算机上，”天体物理学中心的天体物理学家和负责人RahulKannan解释说该系列的第一篇论文的作者。“我们能够利用基本的物理方程和控制理论模型来模拟早期宇宙中发生的事情。”

学分：Thesan合作

该团队的模拟——以伊特鲁里亚黎明女神的名字命名为Thesan——以最高的细节和最大的体积解决了早期宇宙中的相互作用。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，为早期星系的特性以及来自这些星系的光如何影响气体提供了前所未有的细节。

该团队通过将真实的星系形成模型与跟踪光与气体相互作用的新算法以及宇宙尘埃模型相结合来实现这一目标。

借助Thesan，研究人员可以模拟跨越3亿光年的宇宙的一部分。该团队可以及时运行模拟，以跟踪和可视化该空间内数十万个星系的首次出现和演化，从大爆炸后约40万年开始，直至最初的十亿年。

模拟揭示了宇宙从完全黑暗到光明的逐渐变化。

“这有点像冰块托盘里的水;当你把它放进冰箱时，它确实需要时间，但过了一段时间它开始在边缘结冰，然后慢慢渗入，”研究合著者亚伦史密斯说，麻省理工学院卡弗里天体物理和空间研究所的宇航局爱因斯坦研究员。“这与早期宇宙中的情况相同——它是一个中性、黑暗的宇宙，随着光开始从第一个星系中出现，它变得明亮和电离。”

创建这些模拟是为了为詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)的观测做准备，该望远镜将能够比哈勃太空望远镜等前辈更早地观察时间——大约135亿年。

“许多上线的望远镜，比如JWST，都是专门为研究这个时代而设计的，”Kannan说。“这就是我们模拟的用武之地;它们将帮助我们解释这一时期的真实观察结果并了解我们所看到的。”

该团队解释说，真实的望远镜观测和数据很快将与Thesan模拟进行比较。

“这就是有趣的部分，”该研究的合著者、麻省理工学院物理学副教授MarkVogelsberger说。“要么我们的Thesan模拟和模型将与JWST的发现一致，这将证实我们的宇宙图景，要么存在重大分歧，表明我们对早期宇宙的理解是错误的。”

然而，在第一次观测开始之前，该团队不会知道他们模型的各个方面的表现如何，这将涵盖广泛的主题，包括星系特性以及早期宇宙中光的吸收和逃逸。

“我们根据我们所知道的情况开发了模拟，”Kannan说。“但是，尽管科学界近年来学到了很多东西，但仍然存在相当多的不确定性，尤其是在宇宙非常年轻的早期。”

这些模拟是使用世界上最大的超级计算机之一SuperMUC-NG在3000万CPU小时的过程中创建的。在普通计算机上完成相同的模拟需要3,500多年。

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