關於宇宙歷史最初十億年，即宇宙從黑暗時代中出現，最早的恆星和星系開始出現的時代，仍然存在許多謎團。現在，科學家們開發了迄今為止最大、最詳細的該時期計算機模型，以幫助揭示早期宇宙是如何演化的。這個名為 THESAN 的新專案，以伊特魯里亞的黎明女神命名，其對原始過去的預測將很快透過 NASA 最近發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 和其他下一代天文臺的資料進行測試。
在大爆炸之後不久，大約 138 億年前，宇宙充滿了宇宙霧。創造的熱量非常巨大，以至於電子無法與質子和中子結合形成原子，空間中充滿了稠密的等離子體湯——帶電（或電離）粒子，它們散射而不是傳播光。大約 38 萬年後，在所謂的複合時代，這種宇宙霧短暫地消散了，當時宇宙充分冷卻，使原子從等離子體中凍結出來，形成光學透明、電中性的氫氣雲。突然解放出來的大爆炸餘輝的光芒閃耀整個宇宙，然後又褪回黑暗，因為恆星尚未形成。
接下來的數億年，黑暗籠罩著宇宙，直到引力開始將物質聚集在一起形成恆星和星系。即便如此，黑暗也只是逐漸消散，因為來自宇宙最早發光物體的強烈紫外線重新電離了周圍的中性氫，最終燒掉了氣態的陰霾。這個“再電離時代”持續了超過五億年，但科學家們對其細節知之甚少。他們確信的是，它的結束標誌著宇宙時刻，屆時來自整個電磁頻譜的光——而不是僅僅能夠穿透中性氫面紗的那部分——開始在太空中自由傳播。簡而言之，這就是宇宙最終變得清晰，供好奇的天文學家研究，以瞭解宇宙黎明究竟是如何發生的。
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但這並不是說此類研究很容易。為了看到來自如此古老時代的光，研究人員必須使用最大、最靈敏的望遠鏡來尋找儘可能遙遠的物體。這是因為物體的距離越大，其光到達地球所需的時間就越長——並且光衰減得也越多。
計算宇宙黎明
獲得對這個逝去時代的見解的另一種方法是在計算機上模擬它。麻省理工學院的天體物理學家亞倫·史密斯解釋說，再電離的早期階段相對容易重現，因為當時的宇宙相對黑暗且均勻。然而，隨著原始物質自行分類成星系和恆星，引力、光、氣體和塵埃之間複雜的相互作用變得越來越難以建模。史密斯是 THESAN 專案的三位共同負責人之一，另外兩位是哈佛-史密森天體物理學中心的拉胡爾·卡南和德國加興馬克斯·普朗克天體物理學研究所的恩里科·加拉爾迪。
“由於模擬光非常複雜且計算成本很高，因此只有少數宇宙學模擬專注於探索這個時代，”卡南說。“這些宇宙學模擬各有優缺點。”
THESAN 旨在以前所未有的程度模擬早期宇宙。一些宇宙學模擬，例如 宇宙黎明 (CoDa) 模擬和 計算機上的宇宙再電離 (CROC) 專案，以相對較低的解析度模擬了大量體積，而另一些，例如 文藝復興 和 SPHINX 模擬，則更詳細，但不跨越很大的距離。相比之下，THESAN “將高解析度與大的模擬體積相結合”，卡南說。
佐治亞理工學院的天體物理學家約翰·懷斯說：“通常在詳細研究星系形成和宇宙再電離之間存在權衡，但 THESAN 設法兩者兼顧。”他沒有參與 THESAN 的工作。
THESAN 的開發者以舊的一系列名為 Illustris-TNG 的模擬為基礎構建了它，這些模擬已被證明可以準確地模擬演化星系的許多屬性和種群。他們接下來開發了一種新演算法來模擬來自恆星和星系的光如何在宇宙最初十億年中與其周圍的氣體相互作用並使其再電離——這是以前的模擬未能成功地大規模納入的細節。最後，THESAN 團隊納入了一個早期宇宙中宇宙塵埃如何影響星系形成的模型。
斯坦福大學宇宙學家、卡弗裡粒子天體物理學和宇宙學研究所主任瑞莎·韋克斯勒說：“他們結合了兩個最先進的模型，並添加了一些內容——看起來真的很有趣。”她沒有參與 THESAN。
擴大規模
THESAN 可以追蹤跨度超過 3 億光年的立方體體積內數十萬個星系的誕生和演化。從大爆炸後約 40 萬年開始——在第一批恆星被認為出現之前——模擬推斷到宇宙歷史的最初十億年。為了做到這一切，THESAN 在世界上最大的超級計算機之一 SuperMUC-NG 上執行，該計算機使用了近 6 萬個計算機處理核心，在相當於 3000 萬個 CPU 小時的時間內執行模擬計算。（從角度來看，同樣的計算壯舉將需要一臺典型的臺式計算機進行 3500 年的專門數字運算。）
約翰·霍普金斯大學的天體物理學家布賴恩·韋爾奇說：“對我來說，THESAN 模擬最令人興奮的事情之一是解析度的提高。”他沒有參與 THESAN 的工作。“他們似乎能夠將星系內產生電離光子的小尺度結構與那些光子驅動再電離時代的更大尺度星系際介質聯絡起來。然後，模擬可以幫助確定電離光子是如何從星系中逃逸的，從而確定這些星系是如何驅動再電離的。”
韋爾奇和他的同事最近使用哈勃太空望遠鏡發現了迄今為止探測到的最遙遠的單顆恆星，名為 Earendel，其歷史可以追溯到宇宙僅 9 億年時。他說，儘管 THESAN 無法模擬像 Earendel 這樣的單個恆星，“因為這將需要過多的計算能力”，但它仍然可以揭示 Earendel 及其同類形成所在的星系中的條件。
研究人員表示，THESAN 已經產生了關於早期宇宙的預測。例如，它表明，在再電離接近尾聲時，光傳播的距離比之前認為的增加得更顯著——在數億年的時間裡增加了 10 倍——這可能是因為以前較低解析度的模擬遺漏了那些需要更長時間才能電離的緻密氣體團。
然而，卡南說，THESAN 的一個缺點是它對星系中的冷緻密氣體使用了相對簡單的模型。THESAN 團隊目前正在進行一個名為 THESAN-ZOOMS 的後續專案，以用“一個更復雜的模型來取代這個模型，該模型考慮了許多影響這種緻密氣體特性的額外物理過程”，他指出。
卡南說，THESAN 的另一個缺點是，它模擬的體積可能太小，無法準確地指出早期宇宙如何演化的關鍵細節，例如電離透明氣體的團塊的大小和數量。科學家們目前正計劃透過各種最佳化調整來擴大模擬規模，使其體積擴大 64 倍，以提高其整體效能，他說。
預期與現實
THESAN 預測的任何缺陷是否會產生有意義的影響，很快可能會被 JWST 的最新觀測結果揭示，JWST 旨在觀察第一批恆星和星系。THESAN 虛擬宇宙中合併的恆星和星系是否會反映 JWST 光學器件所見的古代物體種群？研究人員渴望找出答案。美國宇航局戈達德太空飛行中心的理論天體物理學家亞倫·楊說，早期宇宙中微弱星系的模型的建立對恆星形成等現象中的不確定性非常敏感，“這些現象仍然存在很大爭議”，他沒有參與 THESAN 的工作。可能成功模擬已知星系的模擬“可能會對微弱種群給出不同的預測。[JWST] 將首次探測到這些星系，併為驅動這些星系形成的物理學提供約束。”
史密斯說，到今年年底，JWST 將能夠收集足夠的資料來測試 THESAN 在許多星系屬性預測方面的能力。“我們已經在與參與 JWST 的天文學家合作，以解釋今年將可獲得的資料。”
懷斯幫助開發了文藝復興模擬，他說：“我的直覺告訴我，JWST 將與 CoDa、CROC 和 THESAN 中建模的明亮星系的統計資料相匹配。”“然而，它們沒有足夠的解析度來模擬低質量和小星系，而文藝復興和 SPHINX 將更匹配。”他認為，天體物理學家很可能會結合這兩種型別的模擬來解釋 JWST 對古代星系的觀測。
沒有人期望 THESAN 或任何其他再電離時代模擬能夠完全正確地模擬一切。“即使 THESAN 的解析度相當高，但與實際發生的物理過程相比，它仍然是低解析度的，”韋克斯勒說。“當來自天文臺的資料和來自模擬的見解協同工作時，就會取得進展。這種相互作用令人興奮。”
加拉爾迪說，最終“我們將需要比 JWST 更多的裝置來確認早期宇宙中宇宙演化的完整圖景”。“各種儀器覆蓋廣泛的波長範圍對於理解這個時代的各個方面是必要的。”這些儀器包括氫再電離時代陣列 (HERA)、平方千米陣列 (SKA)、弗雷德·揚亞毫米波望遠鏡 (FYST)、宇宙歷史、再電離時代和冰探測器分光光度計 (SPHEREx) 以及 NASA 的下一個旗艦天體物理天文臺，南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡。THESAN 等雄心勃勃的計算機模型最終可能有助於科學家理解這些專案將帶來的海量資料。
史密斯指出，“THESAN 旨在儘可能多地對這些觀測結果進行預測。”“與資料的差異通常同樣令人興奮，因為這告訴我們我們的模型存在缺陷，迫使我們重新考慮這些複雜過程的潛在物理原理。”