关于宇宙的十大怪异理论 令人目瞪口呆的新模拟显示了我们宇宙中的光是如何传播

曾经有一段时间，我们的宇宙只不过是一片不透明、无光的旋转气体海洋。

然而，当宇宙存在 10 亿年时，这一切都发生了变化。来自第一批恒星和星系的辐射造成了巨大的变化，使光线在整个电磁光谱中自由流动。

伊特鲁里亚黎明女神的名字命名的新模拟使科学家能够探索宇宙的黑暗时代。这是一个新工具，可以在宇宙黎明时详细查看灯光可能是如何打开的。它绝对漂亮。

“ Thesan是通往早期宇宙的桥梁，”麻省理工学院卡弗里天体物理和空间研究所的物理学家 Aaron Smith 说。 “它旨在作为即将到来的观测设施的理想模拟对应物，这些设施有望从根本上改变我们对宇宙的理解。”

我们对宇宙的大部分了解都是从光中学到的（引力波除外，这是一个仍处于起步阶段的天文学领域）。所以，当光以某种方式受到阻碍时，就会产生相当多的问题。只看（或不看，视情况而定）黑洞，它不会发出可探测的辐射。

大爆炸后 5000 万到 10 亿年的早期宇宙就是另一个这样的例子。这个时期被称为宇宙黎明，我们今天所知的宇宙刚刚开始从原始等离子体中聚集在一起。在第一颗恒星出现之前，它充满了电离气体的炽热黑暗雾气。光无法在这雾中自由穿行；它只是散射掉了自由电子。

一旦宇宙足够冷却，质子和电子就开始重新组合成中性氢原子。这意味着光最终可以穿越太空。随着第一批恒星和星系开始形成，大约在大爆炸后 1.5 亿年，它们的紫外线逐渐将宇宙中无处不在的中性氢重新电离，使整个电磁辐射光谱自由流动。这是再电离时代。

大爆炸后约 10 亿年，宇宙完全再电离；然而，在这10 亿年之前，我们无法用我们目前的仪器真正看到，这使得这个关键的宇宙黎明难以理解。

“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，所以我们做实验的唯一方法就是在计算机上，”哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家 Rahul Kannan 说。

“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。”

Thesan从一个真实的星系形成模型开始，以及一种用于再现光如何与环境气体相互作用和再电离的新算法，以及一个宇宙尘埃模型。

这些过程和交互非常复杂；为了模拟宇宙中 3 亿光年（从大爆炸后 40 万年到 10 亿年）的一部分，该团队使用了强大的超级计算机SuperMUC-NG机器，它使用相当于 3000 万个 CPU 小时来运行Thesan 。

研究人员说，由此产生的模拟是迄今为止最详细的再电离时代视图，捕捉到的物理尺度比模拟区域小一百万倍。这为早期星系的形成方式以及与早期宇宙气体的相互作用提供了“前所未有的”视角。随着光开始渗透到宇宙中，它显示出逐渐的变化。

“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，然后慢慢地爬进来，”史密斯说。 “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。”

有趣的是， Thesan表明最初的光根本不会传播很远。只有在再电离结束时，光才能传播很远的距离。该团队还观察了哪些类型的星系对再电离的影响最大，其中星系质量发挥了重要作用。

我们也不会等待很长时间才能了解模拟的准确性。詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 将在几个月后开始科学运行，其部分设计旨在追溯大爆炸后大约 30 万年，当时再电离全面展开。

“这就是有趣的部分，”麻省理工学院的物理学家 Mark Vogelsberger 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。”

无论哪种方式，我们都将了解到关于我们神奇宇宙的神秘诞生和早年的一些非常令人兴奋的事情。