北京
要理解宇宙早期发生了什么，光有观测还不够。望远镜拍回来的数据越精细，越需要一套能与之对照的理论预测。天体物理学家用的办法是跑模拟——把物理规律写成代码，放到超级计算机上，让一个虚拟宇宙从早期一路演化。
最近，哈佛-史密森天体物理中心（CfA）的研究团队公布了这样一个新模拟，名字叫 Lumina。成果发表在《皇家天文学会月刊》，标题是《Introducing the lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization》，第一作者是该中心理论与计算研究所研究员 Oliver Zier。
它要回答的问题，是宇宙学里一个还没完全解开的结：星系和活动星系核（AGN）究竟如何共同推动了星际介质（IGM）的再电离。作者在论文中写道，理解这一点"仍然是宇宙学的一大挑战"。
所谓再电离，说的是宇宙早期中性氢和氦被高能辐射剥离电子的过程。氢是宇宙中最丰富的元素，它的再电离被研究得比较多；氦的再电离则研究得少。原因不难理解：把氢电离的是恒星形成矮星系发出的较低能量紫外光子，但这些光子能量不够，电离不了氦。氦大约占星际介质的 25%，得等大量类星体和极亮的活动星系核登场——而它们的活跃高峰，正好落在"宇宙正午"。
Lumina 的特别之处，是把氦的再电离也纳入了模拟，并把结果反馈到整个演化过程中。作者解释说，模拟 He ii 再电离会带来"显著的计算挑战"：要算到红移 z = 3，模拟必须在氢再电离结束后再演化将近十亿年，而这段时间里物质分布会越来越成团。
算力上，Lumina 跑在橡树岭国家实验室的 Frontier 超级计算机上，动用了超过 15,000 个图形处理器。按论文的说法，Frontier 是全球第三快的超级计算机，排在 El Capitan 和 Line Shine 之后。
体积是另一个关键指标。另一个知名模拟 IllustrisTNG 的最大运行版本 TNG 300，盒子边长约 3.3 兆秒差距；Lumina 的盒子边长是 500 兆秒差距（均为共动秒差距），换算下来每边约 15 亿光年，大致相当于最强望远镜能看到的范围。研究者的说法是，它的星系族群与最初的 IllustrisTNG 项目保持一致，而更大的体积改善了稀有天体、大尺度环境和宇宙方差的统计，使得把氢和氦的电离拓扑与演化中的星系、AGN 族群联系起来的正向建模成为可能。
至于再电离究竟是怎么收尾的，学界仍有分歧：是一口气平滑结束，还是斑斑驳驳、此起彼伏？时间线同样没有定论。JWST 的观测正在推动新一轮研究。Zier 在新闻稿中说："有了 JWST，早期宇宙成了天体物理学一个激动人心的新前沿。要理解这台望远镜看到的东西，我们需要把理论翻译成细致的预测。经过几年工作，经历了不少起起落落，看到模拟结果、看到我们的预测在视频里活起来，真的非常有成就感。"
Lumina 关于氦再电离的首批结果与观测吻合得不错。论文写道：He ii 再电离始于 z 约等于 6，由 AGN 的硬辐射场驱动；中点在 z 约等于 4，到 z = 3 时接近完成，残余的 He ii 体积填充率低于 1%，与目前的观测约束一致。作者认为，这表明 Lumina 能够自洽地追踪氦再电离的起始、拓扑和完成，并与氢再电离并行。
共同作者、得克萨斯大学达拉斯分校物理学助理教授 Aaron Smith 说："我们觉得能构建 Lumina 这样的模拟非常幸运。这是第一次，我们能在如此巨大的宇宙体积里，跟随氢和氦双双转变为现代形态，同时还能分辨出驱动这一转变的星系和其他发光天体。"
模拟和观测互相推动，是宇宙学往前走的常态。对理论这一侧来说，工具箱里又多了一件称手的工具。
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