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，到宇宙十亿岁的时候，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，使得光线可以在整个电磁频谱上自由流动。
一种新的模拟，以伊特鲁里亚黎明女神的名字命名为 Thesan，使科学家能够探索宇宙的黑暗时代。 这是一个新工具，可以详细了解宇宙黎明时灯光是如何打开的。 它绝对是美丽的。
“Thesan 是通向早期宇宙的桥梁，”物理学家亚伦·史密斯说麻省理工学院卡维利天体物理和空间研究所的教授。 “它的目的是作为即将到来的观测设施的理想模拟对应物，这些设施将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（除了明显的例外），天文学领域仍处于起步阶段）。 因此，当光以某种方式受到阻碍时，就会引起相当多的问题。 只是看（或不看，视情况而定），不发射可检测到的辐射。
宇宙诞生后 5000 万年至 10 亿年之间的早期宇宙还有一个这样的案例。 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热暗雾。 光无法自由地穿过这片雾气； 它只是散射了自由电子。
一旦宇宙足够冷却，质子和电子开始重新组合成中性氢原子。 这意味着光终于可以穿越太空了。 当第一批恒星和星系开始形成时，大约在大爆炸后 1.5 亿年，它们的紫外线逐渐使宇宙中普遍存在的中性氢重新电离，使整个电磁辐射谱自由流动。 这是再电离时代。
大爆炸后约 10 亿年，宇宙完全重新电离。 然而，在这 10 亿年之前，我们无法用我们现有的仪器真正看到，这使得这个关键的宇宙黎明很难理解。
“大多数天文学家没有实验室来进行实验。空间和时间尺度太大，所以我们做实验的唯一方法就是在计算机上，”天体物理学家拉胡尔·卡南说来自哈佛-史密森天体物理中心。
“我们能够采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周围气体相互作用并重新电离的新算法，以及一个宇宙尘埃模型。
这些过程和相互作用非常复杂； 为了模拟宇宙大爆炸后 40 万年到 10 亿年的 3 亿光年宽的宇宙部分，该团队使用了强大的超级计算机 SuperMUC-NG 机器，该机器使用了相当于 3000 万个 CPU 小时来运行 Thesan。
研究人员表示，由此产生的模拟是迄今为止再电离时代最详细的视图，在比模拟区域小一百万倍的尺度上捕捉到物理现象。 这让人们对早期星系的形成以及与早期宇宙气体相互作用的方式有了“前所未有的”了解。 当光开始渗透宇宙时，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，确实需要一些时间，但过了一会儿，它开始在边缘结冰，然后慢慢地渗进去，”史密斯说。 “这与早期宇宙的情况相同？这是一个中性、黑暗的宇宙，随着光开始从第一个星系中出现，它变得明亮并电离。”
有趣的是，Thesan 表明，最初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。 研究小组还发现哪些类型的星系对再电离影响最大，其中星系质量发挥着重要作用。
我们也不会花很长时间来了解模拟的准确度。 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 将于几个月内开始科学运行，其部分设计目的是回溯到大爆炸后约 30 万年，当时再电离正如火如荼地进行。
“这就是有趣的部分，”物理学家马克·沃格尔斯伯格说麻省理工学院的。
“要么我们的 Thesan 模拟和模型与 JWST 的发现一致，这将证实我们对宇宙的看法，要么会出现重大分歧，表明我们对早期宇宙的理解是错误的。”
不管怎样，我们都将了解到一些关于我们神奇宇宙的神秘诞生和早期岁月的非常令人兴奋的事情。
该研究发表在英国皇家天文学会每月通知。
