天文学家利用全球最强大的超级计算机之一，构建出迄今规模最大、精细程度最高的早期宇宙模拟之一。这项名为“Lumina”的研究项目，重现了宇宙诞生后最初20亿年的演化过程，模拟区域每边长达约15亿光年，旨在帮助科学家理解第一批恒星和星系如何形成，以及暗物质和辐射如何共同塑造今天的宇宙。
Lumina由哈佛大学与史密森学会联合运营的天体物理中心研究人员开发。研究成果于2026年10月26日发表在《皇家天文学会月刊》上。研究团队希望通过这一虚拟宇宙，将理论模型与詹姆斯·韦布空间望远镜以及即将投入科学观测的南希·格雷斯·罗曼空间望远镜所获得的数据进行比较，从而检验现有宇宙学理论是否能够解释早期宇宙的真实面貌。
现代天文学已经能够观测到距离地球极其遥远的星系。这些天体发出的光经过数十亿年才抵达地球，因此望远镜实际上能够帮助人类回望宇宙的早期历史。不过，单纯观测并不足以完整解释这些星系是如何形成的。科学家还需要借助计算机模拟，从宇宙最初的条件出发，根据已知物理规律推演物质和能量在数十亿年间如何变化。
这类模拟相当于建立一个虚拟实验室。研究人员可以调整不同物理条件，观察恒星、星系、气体和暗物质之间的相互作用，并将模拟结果与实际天文观测进行比较。如果两者吻合，就意味着现有理论获得了进一步支持；如果出现明显差异，则可能说明科学家对宇宙演化的理解仍存在缺失。
Lumina最引人注目的特点是其规模。整个模拟覆盖一个边长约15亿光年的立方体区域，体积超过此前同类模拟的100倍。如此庞大的空间范围，使研究人员能够同时观察宇宙大尺度结构的形成，以及单个星系、恒星乃至黑洞周围发生的物理过程。
这项研究属于辐射流体动力学宇宙模拟。与只追踪物质分布的模型不同，它还需要计算气体、暗物质和辐射之间复杂的相互作用。暗物质虽然无法直接通过光线观测，却能够通过引力影响星系及其他宇宙结构的形成；恒星等发光天体释放的辐射，则会改变周围气体的温度和物理状态，进而影响后续的宇宙演化。
研究团队特别关注宇宙历史上一个极其重要的阶段——再电离时期。宇宙早期存在大量氢和氦气体，随着第一批恒星和其他发光天体出现，它们释放的高能辐射逐渐剥离原子中的电子，使周围气体转变为电离状态。这一过程深刻改变了宇宙中气体的性质，也为后来星系和宇宙大尺度结构的演化创造了条件。
Lumina的一项重要突破，是首次在这种规模的模拟中，动态追踪氦再电离过程，并让氦电离所产生的变化即时影响模拟中的其他物理过程。此前，研究人员虽然能够分别研究部分相关现象，但很难在如此庞大的空间范围内，同时兼顾整体宇宙结构与驱动这些变化的微观天体。
参与研究的德克萨斯大学达拉斯分校物理学助理教授Aaron Smith表示，研究团队现在能够在如此广阔的宇宙范围内，追踪氢和氦如何逐渐转变为今天所熟悉的状态，同时仍然保留足够的分辨率，以观察推动这一变化的星系和其他发光天体。
完成如此复杂的模拟需要极其庞大的计算资源。研究人员使用了美国橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机，动用了超过15000个图形处理器共同完成计算。Frontier是全球速度最快的超级计算机之一，其强大的并行计算能力使研究团队能够在扩大模拟范围的同时，保留研究单个星系、恒星和黑洞所需的细节。
研究人员表示，Lumina并不仅仅是为了制作一段宇宙演化的视觉演示。它更重要的价值在于帮助科学家检验不同的宇宙学解释，并为未来的望远镜观测提供可以验证的预测。例如，研究人员接下来将进一步分析气体如何在不同星系之间流动、宇宙大爆炸遗留下来的辐射如何影响宇宙演化，以及恒星形成特别活跃的区域如何出现和变化。
随着詹姆斯·韦布空间望远镜、罗曼空间望远镜等设备不断提供更加精细的遥远宇宙观测数据，Lumina有望成为连接理论模型与真实观测的重要工具。科学家可以将模拟宇宙与实际宇宙进行对照，寻找现有理论能够解释的现象，以及那些仍然无法得到合理解释的差异。
研究团队希望，这个横跨15亿光年的虚拟宇宙，最终能够帮助人类更深入地理解大爆炸之后最初20亿年发生了什么，以及第一批星系究竟是如何从早期宇宙的物质与能量中诞生的。