研究人员创建了一个计算机模拟，再现大爆炸之后的早期宇宙，其范围达3亿光年。
该项目名为“Thesan”，对研究人员而言至关重要，因为人们对这一时期仍有许多未知。
真实的望远镜观测和数据不久后将与Thesan模拟结果进行比对，从而证实或推翻目前对这一时期已有的认识。
它看起来像黑暗中闪烁的萤火虫。越来越多的光点缓缓聚集，点亮了屏幕，形成大片的光团和星团。
但这并不是一段关于昆虫的视频。它模拟的是早期宇宙，即大爆炸之后的一段时期，在此期间，宇宙从一片彻底的黑暗转变为充满光芒的明亮环境。
这段精彩的视频属于一系列大型模拟的一部分，相关内容见于发表在《英国皇家天文学会月刊》上的三篇论文。这些模拟由哈佛-史密森天体物理中心、麻省理工学院和马普天体物理研究所的研究人员共同创建，哈佛-史密森天体物理中心，在模拟第一批星系的形成和再电离方面取得了重大进展。再电离是指空间中的中性氢原子转变为带正电的电离氢的过程，使光得以在整个宇宙中传播。
该模拟所涵盖的时期被称为再电离时代，发生在约130亿年前。由于其中涉及引力、气体和辐射（即光）之间极为复杂、混沌的相互作用，该时期的重建极具挑战性。
“大多数天文学家没有可供开展实验的实验室。时空尺度过于庞大，因此我们进行实验的唯一方式就是借助计算机，”Rahul Kannan解释道。他是哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家，也是该系列第一篇论文的第一作者。“我们能够运用基础物理方程和相应的理论模型，来模拟早期宇宙中发生的事情。”
该团队的模拟项目名为Thesan，得名于伊特鲁里亚的黎明女神。与以往任何模拟相比，该模拟能以最高的细节和最大的体量呈现早期宇宙中的相互作用。早期宇宙的物理过程可细化至比模拟区域小一百万倍的尺度，从而以前所未有的细节呈现早期星系的性质，以及这些星系的光如何影响气体。
该团队的做法是，将逼真的星系形成模型与一种新算法相结合，该算法可追踪光与气体的相互作用，并辅以宇宙尘埃模型。
借助Thesan，研究人员可以模拟宇宙中一段跨度超过3亿光年的区域。该团队能够将模拟沿时间向前推进，追踪并可视化该空间内数十万个星系的首次出现与演化过程，模拟起始于大爆炸后约40万年，并一直延续至最初的十亿年。
模拟揭示了宇宙从完全黑暗逐步走向光明的渐进变化。
“这有点像制冰盒里的水：放进冰箱后，需要一段时间，但过了一阵子，它会从边缘开始结冰，然后慢慢向内蔓延，”研究合著者、美国国家航空航天局爱因斯坦研究员、麻省理工学院克拉维天体物理与空间研究所的亚伦·史密斯（Aaron Smith）说道。“早期宇宙的情况与此相同——它曾是一个中性、黑暗的宇宙，随着光从第一批星系中开始发出，它变得明亮并被电离。”
这些模拟的目的是为詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测做准备。该望远镜将能够观测到更遥远的过去——约135亿年前——这是哈勃太空望远镜等前代望远镜所无法做到的。
“许多新投入使用的望远镜，例如JWST，正是专门为研究这一时期而设计的，”Kannan说。“这正是我们模拟的用武之地：它们将帮助我们解读这一时期的真实观测结果，并理解我们所看到的现象。”
该团队解释说，真实的望远镜观测和数据不久后将与Thesan模拟结果进行比对。
“这正是有趣之处，”研究合著者、麻省理工学院物理学副教授马克·沃格尔斯伯格（Mark Vogelsberger）说道。“要么我们的Thesan模拟和模型与JWST的发现相吻合，从而证实我们对宇宙的认识；要么两者存在显著分歧，表明我们对早期宇宙的理解是错误的。”
然而，在首批观测数据传回之前，该团队无法知道其模型各个方面的表现如何。这些观测将涵盖广泛的主题，包括星系性质，以及早期宇宙中光的吸收与逃逸。
“我们是基于我们所知道的内容来开发模拟的，”Kannan说。“但尽管科学界近年来已积累了大量认识，这一时期仍存在相当多的不确定性，尤其是在宇宙非常年轻的早期阶段。”
这些模拟是使用世界上最大的超级计算机之一SuperMUC-NG完成的，总计耗时3000万CPU小时。若在普通计算机上运行，同样的模拟将需要超过3500年才能完成。
组成Thesan团队的其他科学家包括哈佛-史密森天体物理中心的拉尔斯·赫恩奎斯特（Lars Hernquist），以及马普天体物理研究所的恩里科·加拉尔迪（Enrico Garaldi）、鲁迪格·帕克莫尔（Ruediger Pakmor）和沃尔克·施普林格尔（Volker Springel）。
