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大約138億年前，我們的宇宙通過(guò)大爆炸誕生，它經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月，演化成了今天的模樣。

剛誕生的宇宙，并不像今天這樣充滿了各種各樣的天體。在剛誕生的前10億年時(shí)間里，宇宙一直處于各種各樣詭異的狀態(tài)。

大爆炸的初期，整個(gè)宇宙的溫度高得驚人，以至于電子和質(zhì)子都無(wú)法結(jié)合成原子。一直到了38萬(wàn)年后，宇宙溫度才低到原子可以形成。這個(gè)時(shí)候，光子才終于有機(jī)會(huì)自由傳播，形成了宇宙中的第一道光，也就是今天的宇宙微波背景輻射。

可是，這些光線并沒(méi)有自由太久，宇宙就再一次黯淡了下來(lái)，這就是宇宙的黑暗時(shí)期。這是因?yàn)?，?dāng)時(shí)所有的質(zhì)子和電子都結(jié)合成了穩(wěn)定的中性氫原子，這些原子不帶電，無(wú)法相互吸引，所以就穩(wěn)定地分布在宇宙空間中，也不會(huì)產(chǎn)生新的光子。

直到后來(lái)，因?yàn)闃O少數(shù)不安分的原子出現(xiàn)了電離，正負(fù)電荷相互吸引，形成了局部物質(zhì)的聚集，從而通過(guò)引力吸收更多物質(zhì)，形成了宇宙中最早的恒星和星系。第一批恒星非常巨大，它們的強(qiáng)烈輻射引起了更多的電離現(xiàn)象，最終波及到整個(gè)宇宙。宇宙各個(gè)角落的氫原子都可能被電離、形成新的恒星，整個(gè)宇宙被點(diǎn)亮，這就是宇宙的再電離時(shí)期。

根據(jù)目前的研究，天文學(xué)家認(rèn)為，在大爆炸的5000萬(wàn)年后，宇宙的再電離時(shí)期開(kāi)啟。大爆炸的1.5億年后，第一批恒星的紫外線讓宇宙各個(gè)角落的中性氫都得到了電離的機(jī)會(huì)，整個(gè)電磁輻射的光譜也終于可以自由移動(dòng)。一直到10億年后，也就是距今128億年前，再電離時(shí)期正式結(jié)束。

別看我們描述得好像很精細(xì)，但對(duì)于宇宙的黑暗時(shí)代和再電離期，天文學(xué)家們還有很多不了解的地方。而且，人類目前的觀測(cè)設(shè)備對(duì)于這段歷史都有些無(wú)力，這就更讓天文學(xué)家對(duì)這段時(shí)期的歷史無(wú)從了解了。

要知道，我們對(duì)任何目標(biāo)的觀測(cè)，都是基于電磁波的探測(cè)。然而，從黑暗時(shí)代到很大一部分的再電離期，電磁波都難以在宇宙中穿行，這給人類的觀測(cè)帶來(lái)了更大的困難。盡管引力波也是一種研究方式，但人類的引力波研究才剛剛起步，很難破解巨大的宇宙謎題。

天文學(xué)家也不是完全沒(méi)有辦法，雖然不能在實(shí)驗(yàn)室里重現(xiàn)這段歷史，但憑借著計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算力，他們還是可以進(jìn)行模擬的。美國(guó)的一支科學(xué)團(tuán)隊(duì)最近利用一臺(tái)名叫SuperMUC-NG的超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)宇宙的再電離期進(jìn)行了模擬，值得一提的是，這臺(tái)計(jì)算機(jī)是由中國(guó)的聯(lián)想公司打造的，是世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一。

研究人員從宇宙大爆炸后40萬(wàn)年的時(shí)間開(kāi)始，在3億光年的尺度下對(duì)宇宙進(jìn)行模擬，一直模擬到大爆炸10億年后，他們將這段時(shí)期命名為T(mén)hesan，這是伊特魯里亞的神話中黎明女神的名字，這也符合人們將這段時(shí)期稱作“宇宙的黎明”的習(xí)慣。

他們利用這臺(tái)強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，進(jìn)行了相當(dāng)于3000萬(wàn)個(gè)CPU小時(shí)的模擬，這也是迄今為止最詳細(xì)的一次對(duì)宇宙再電離時(shí)期的建模。他們從宇宙中第一個(gè)星系的形成開(kāi)始模擬，捕捉到了比模擬范圍小100萬(wàn)倍的物理學(xué)細(xì)節(jié)。

并且，他們還使用了新的算法，重點(diǎn)關(guān)注了再電離時(shí)期宇宙中的光子與宇宙中的氣體及塵埃的相互作用，這個(gè)過(guò)程可以說(shuō)是非常復(fù)雜的。通過(guò)這次模擬，研究人員對(duì)早期的星系形成及其與宇宙氣體之間相互作用的方式有了全新的了解。通過(guò)本次模擬，科學(xué)家們展示了我們的早期宇宙是如何隨著光線的滲入而變化的。

來(lái)自麻省理工學(xué)院科維理天文與天體物理研究所的物理學(xué)家Aaron Smith做了一個(gè)比喻：“這就有點(diǎn)像是制冰盒里的水，當(dāng)你把它放到冰箱里的時(shí)候，的確不會(huì)馬上結(jié)冰；但過(guò)一會(huì)之后，它的邊緣就會(huì)開(kāi)始凍結(jié)，并逐漸蔓延到內(nèi)部。這和早期宇宙中的情況是完全一樣的，在一個(gè)電中性、黑暗的宇宙中，從第一批星系中開(kāi)始出現(xiàn)光亮，于是它就被點(diǎn)亮并電離了?！?/p>

而且他們發(fā)現(xiàn)，在宇宙再電離期的開(kāi)始階段，光在宇宙中還不能說(shuō)是完全自由地傳播，其傳播距離通常不會(huì)太遠(yuǎn)。一直到了再電離期的最后階段，光才可以穿梭很遠(yuǎn)的距離。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，不同類型的星系對(duì)宇宙的再電離起到了不同的作用，而且影響的意義巨大。尤其是那些質(zhì)量巨大的星系，在這個(gè)過(guò)程中扮演的角色尤為關(guān)鍵。

那么，這一次模擬到底正不正確呢？

沒(méi)人知道，因?yàn)檫@終究是模擬，最終還需要實(shí)際的觀測(cè)研究來(lái)證明。去年年底剛剛升空的詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡，就有這樣的能力來(lái)驗(yàn)證本次模擬的準(zhǔn)確性。它可以觀測(cè)到136億光年以外的宇宙，也就是宇宙大爆炸的僅僅2億年后，也就是說(shuō)，它可以觀測(cè)到再電離時(shí)期的大部分階段，它的觀測(cè)數(shù)據(jù)將驗(yàn)證本次研究的正確與否。

你可能要問(wèn)了：那要是兩次研究的結(jié)果不一樣怎么辦？

研究人員表示：如果模擬結(jié)果被證明是錯(cuò)誤的，那么韋布將會(huì)取得一個(gè)新的重大發(fā)現(xiàn)，刷新我們對(duì)宇宙的認(rèn)知，這不也是好事嗎~

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