138亿年前，宇宙通过大爆炸诞生。但最初的星系以及宇宙的基本结构——宇宙网——是如何演化的？天文学家目前仅大致了解这一过程。迄今为止最详细的早期宇宙计算机模拟，旨在提供新的见解。
Vor 13,8 Milliarden Jahren entstand durch den Urknall unser Universum. Aber wie entwickelten sich die ersten Galaxien und die Grundstruktur des Universums, das kosmische Netz? Astronomen verstehen das bislang nur in groben Zügen. Die bislang detailreichste Computersimulation des frühen Universums soll nun neue Erkenntnisse liefern.
一个国际研究团队展示了这一模拟：它名为“Lumina”，覆盖了大爆炸后最初二十亿年的时间，体积是早期模拟的百倍。科学家们在专业期刊《皇家天文学会月报》上报告了这一成果。
Ein internationales Forschungsteam hat diese Simulation vorgestellt: Sie heißt Lumina, erstreckt sich über die ersten zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall und umfasst das Hundertfache Volumen früherer Simulationen. So berichten es die Wissenschaftler im Fachblatt »Monthly Notices of the Royal Astronomical Society« .
大爆炸的回响 天文学家目前对宇宙演化的理解如下：大爆炸后约40万年，宇宙中的物质冷却到足以让质子、中子和电子形成氢和氦元素。同时也使太空对光变得透明。当时释放的辐射至今仍被我们接收为宇宙微波背景辐射，一种大爆炸的遥远回响。
Das Echo des Urknalls Astronomen verstehen die kosmische Entwicklung bislang so: Etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall war die Materie im Kosmos so weit abgekühlt, dass sich aus Protonen, Neutronen und Elektronen die Elemente Wasserstoff und Helium bildeten. Damit wurde der Weltraum zugleich durchsichtig für Licht. Die damals freigesetzte Strahlung empfangen wir noch heute als kosmische Hintergrundstrahlung, eine Art fernes Echo des Urknalls.
通过随机波动，形成了神秘暗物质的更密集聚集区，暗物质约占宇宙质量的80%。普通物质——即此时的氢和氦——被其吸引，形成了第一批恒星和星系。
Durch zufällige Schwankungen bildeten sich dichtere Ansammlungen der geheimnisvollen Dunklen Materie, die etwa 80 Prozent der Masse im Kosmos ausmacht. Die normale Materie, also in dem Fall Wasserstoff und Helium, wurde davon angezogen und bildete die ersten Sterne und Galaxien.
新亮起的恒星以及所谓的活动星系核（即围绕巨大黑洞的核心区域）的强烈辐射，加热了宇宙环境中的气体，从而抑制了星系的形成。研究人员称这一阶段为再电离期，因为辐射剥离了太空中氢和氦原子的电子，使它们重新变回离子。
Die starke Strahlung der aufleuchtenden Sterne und sogenannter aktiver Galaxienkerne, also der Kernregionen um gigantische Schwarze Löcher, heizte das Gas in der kosmischen Umgebung auf und bremste so die Galaxienentstehung. Forscher nennen diese Phase die Reionisierung, weil die Strahlung den Wasserstoff- und Helium-Atomen im All Elektronen entriss und sie so wieder in Ionen verwandelte.
Lumina模拟呈现的宇宙网 图片：Oliver Zier / Center for Astrophysics Lumina模拟宇宙成分如何相互作用 “理解星系和活动星系核如何在宇宙时间尺度上驱动星际介质的再电离，仍然是宇宙学面临的一项核心挑战”，哈佛-史密松天体物理中心（位于剑桥）的Oliver Zier及其同事解释道。Lumina模拟旨在对此提供帮助。但并非仅靠它。主要还是像“詹姆斯·韦伯”和“南希·格雷斯·罗曼”这样的新型大型空间望远镜，为研究人员提供了对宇宙早期的深入洞察。
Lumina-Darstellung des kosmischen Netzes Foto: Oliver Zier / Center for Astrophysics Lumina modelliert, wie Bestandteile des Universums interagieren »Zu verstehen, wie Galaxien und aktive Galaxienkerne die Reionisierung des intergalaktischen Mediums im Laufe der kosmischen Zeit vorantreiben, bleibt eine zentrale Herausforderung der Kosmologie«, erklären Oliver Zier vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge und seine Kollegen. Dabei soll die Simulation Lumina helfen. Aber nicht allein. Es sind vor allem neue große Weltraumteleskope wie »James Webb« und »Nancy Grace Roman« , die den Forschern tiefe Einblicke in die Frühzeit des Universums liefern.
“詹姆斯·韦伯”望远镜自2022年起已开始从太空传回数据和图像，而于8月发射的“南希·格雷斯·罗曼”望远镜将于明年初开始科学运行。“有了‘詹姆斯·韦伯’望远镜，早期宇宙已发展成为天体物理学一个令人振奋的新研究领域”，研究员Zier表示。“为了理解我们用这台望远镜观测到的现象，我们必须将理论转化为详细的预测。”而这正是Lumina等模拟的任务，该研究员说道。
Während das »James Webb«-Teleskop bereits seit 2022 Daten und Bilder aus dem All sendet, nimmt das im August gestartete »Nancy Grace Roman«-Teleskop Anfang kommenden Jahres den wissenschaftlichen Betrieb auf. »Mit dem ›James Webb‹-Teleskop hat sich das frühe Universum zu einem aufregenden neuen Forschungsfeld der Astrophysik entwickelt«, sagt Forscher Zier. »Um zu verstehen, was wir mit diesem Teleskop beobachten, müssen wir unsere Theorien in detaillierte Vorhersagen umsetzen.« Und das sei eben die Aufgabe von Simulationen wie Lumina, so der Forscher.
Lumina模拟宇宙的基本成分——气体、暗物质和光——如何相互作用并形成恒星和星系。它也是首个不仅模拟氢再电离，还模拟氦再电离，并直接在模型中展示其对不断演化的宇宙影响的模拟。超过1.5万个图形处理器在位于橡树岭国家实验室的“前沿”超级计算机上——这是全球最快的超级计算机之一——驱动着该模拟运行。
Lumina modelliert, wie die fundamentalen Bestandteile des Universums – Gas, Dunkle Materie und Licht – interagieren und Sterne und Galaxien bilden. Sie ist zudem die erste Simulation, die nicht nur die Reionisierung von Wasserstoff, sondern auch die Helium-Reionisierung betrachtet und deren Auswirkungen auf das sich entwickelnde Universum unmittelbar im Modell zeigt. Mehr als 15.000 Grafikprozessoren auf einem der weltweit schnellsten Supercomputer – »Frontier« am Oak Ridge National Laboratory – treiben die Simulation an.
未来，研究人员将能利用“Lumina”探究氢和氦如何在星系间运动，大爆炸辐射如何塑造了宇宙演化，以及剧烈恒星形成区域如何随时间演变。另一优势在于“Lumina”所涵盖的巨大体积。其中首次呈现了极为罕见的天体，这些天体虽已被望远镜探测到，却在模拟中缺失，因此曾让天文学家大伤脑筋。
Künftig können Forschende mit Lumina untersuchen, wie sich Wasserstoff und Helium zwischen den Galaxien bewegen, wie die Strahlung des Urknalls die kosmische Entwicklung prägte und wie sich Regionen intensiver Sternentstehung im Laufe der Zeit entwickelten. Einen weiteren Vorteil bietet das große Volumen, das Lumina erfasst. Darin zeigen sich erstmals auch sehr seltene Objekte, die zwar mit Teleskopen aufgespürt wurden, in Simulationen aber fehlten und den Astronomen deshalb Kopfzerbrechen bereiteten.