大爆炸后,宇宙從一個黑暗的地方轉變為一個光彩照人的環境

2022-03-29 16:01:28

它看起來像螢火蟲在黑暗中閃爍,慢慢地,越來越多,大塊大塊地點亮屏幕——這不是關于昆蟲的視頻,而是對早期宇宙的模擬。大爆炸之后的一段時間,宇宙從一個完全黑暗的地方轉變為一個光彩照人的環境。這段令人驚嘆的視頻是《皇家天文學會月刊》接收的3篇論文中描述的一系列宇宙模擬成果的一部分。

該模擬視頻由美國哈佛和史密森尼天體物理學中心、麻省理工學院和德國馬克斯·普朗克天體物理研究所共同創建。這一成果代表了在模擬第一個星系形成和再電離過程方面取得的巨大進步,這一過程中,空間中的中氫原子轉化為帶正電,使光在整個宇宙中傳播。

被稱為再電離時代的模擬時期發生在大約130億年前,難以模擬重建的原因是,它涉及極其復雜、混亂的相互作用,包括重力、氣體和輻射或光之間的相互作用。大多數天文學家做實驗的唯一方法是在計算機上。研究人員利用基本的物理方程和控制理論模型來模擬早期宇宙中發生的事情。

研究團隊此次模擬任務以伊特魯里亞黎明女神Thesan命名,分析了早期宇宙中的相互作用,其內容是迄今最詳細的,涵蓋體積也最大,為早期星系的特以及來自這些星系的光如何影響氣體提供了前所未有的細節信息。

該團隊將真實的星系形成模型與跟蹤光與氣體相互作用的新算法以及宇宙塵埃模型相結合,進行了對早期宇宙的模擬。借助Thesan,他們可模擬跨越3億光年的宇宙的一部分。運行該模擬程序,能及時跟蹤和可視化該空間內數十萬個星系的首次出現和演化,從大爆炸后約40萬年開始,直至最初的十億年。

這些模擬是使用世界上最大的超級計算機之一的SuperMUC-NG耗時3000萬CPU小時創建的。在普通計算機上完成相同的模擬需要3500多年。

研究團隊解釋說,創建這些模擬是為詹姆斯·韋布太空望遠鏡的觀測做準備,而真實的望遠鏡觀測數據很快將與Thesan模擬進行比較。(記者 張夢然)

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