一块边长15亿光年的宇宙，被装进了一台超级计算机。

它从大爆炸算起，一路算到宇宙第20亿年。里面的气体、暗物质和光，全都按物理定律一步一步演化。这是美国哈佛-史密森天体物理中心刚公布的早期宇宙模拟，名叫Lumina，论文发表在《英国皇家天文学会月刊》上。

15亿光年有多大，可以拿银河系比一比。银河系直径约10万光年，这个立方体的一条边上，能排下15000个银河系。它算的体积是此前同类模拟的100多倍，差不多追平了今天最强的望远镜能看到的早期宇宙范围。

费这么大力气在电脑里造宇宙，是为了给望远镜当对照。

韦布空间望远镜（JWST）正把宇宙最初几亿年的星系拍得越来越清楚，后面还有罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman）接力。可照片拍回来，上面的星系亮不亮、多不多、排得密不密，到底算正常还是反常，光看照片说不清。天文学家得先知道，按现有理论，那片天“本该”长什么样。

模拟给的就是这个“本该”。理论对，模拟和照片就能对上；对不上，就说明理论里缺了东西，或者有东西错了。

Lumina算的那20亿年，是宇宙最关键的一段。大爆炸后约38万年，宇宙冷到电子和原子核结合成了中性的氢原子和氦原子，这些气体会吞掉星光里的紫外线，整个宇宙像蒙上一层雾。又过了几亿年，第一批恒星和星系亮起来，它们的紫外光把氢原子里的电子重新打了出去，气体变得透明。天文学家把这一步叫“再电离”，这层雾从此散开。

氢的这一步，以前的模拟已经能算。难的是氦。

氢只有1个电子，好剥。氦有2个，第2个电子抓得特别紧，普通恒星的光大多打不掉它，得等更猛的光源登场，比如正在大口吞噬物质的超大质量黑洞。所以氦的再电离更晚、更慢，也更难算。

过去的模拟要么干脆不算，要么事后补上一笔。Lumina是迄今第一个让氦的再电离在模拟里一边发生、一边立刻反过来影响宇宙演化的模拟。这件事之所以要紧，是因为被剥掉电子的气体会变热，热气体不容易塌缩成新恒星，星系长大的节奏会受到影响。

美国得克萨斯大学达拉斯分校的物理学家亚伦·史密斯说：“我们第一次能在这么大的宇宙体积里，看着氢和氦一起变成今天的样子，同时还分辨得出推动这场变化的星系和其他发光天体。”

既要算下15亿光年的大块宇宙，又要在里面分辨出一个个星系、恒星和黑洞，以前的模拟做不到。研究团队用的是美国田纳西州橡树岭国家实验室的Frontier。这是世界上最快的超级计算机之一，一共调动了超过15000块GPU。

研究团队把Lumina当成一个试验平台。接下来要用它研究气体怎么在星系之间流动，大爆炸残留的辐射怎么影响宇宙演化，恒星诞生最猛烈的区域又是怎么长出来的。

论文第一作者、哈佛-史密森天体物理中心的奥利弗·齐尔说，几年工作起起落落，终于看到写进代码的预言在视频里动了起来。接下来，轮到韦布的照片来判断模拟它用的理论对不对了。

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图为Lumina模拟渲染出的一片宇宙网，跨度约6.5亿光年，细丝是暗物质，橙黄色标出气体在星系团之间流动最快的地方，图源：奥利弗·齐尔/美国哈佛-史密森天体物理中心

信源："Smithsonian Scientists Create Most Detailed Simulation Yet of the Early Universe." www.si.edu