很久以前，存在着宇宙大爆炸之后，原始物质充斥着不断膨胀的宇宙，而星系尚未从这些原始物质中凝聚形成的时期。

这一过程是如何发生的，以及其中物质由什么组成，长期以来一直是个谜。然而，如今科学家们可能通过更强大的模拟，让我们更接近理解银河系如何形成和演化——这些模拟再现了宇宙初生时期尘埃、新生恒星以及复杂化学反应的混乱与混沌。

研究结果表明，如果在模拟中加入更多细节，此前詹姆斯·韦布空间望远镜观测到的那些比我们原先认为更早出现的巨大星系，其实可以在不打破当前模型的前提下形成。

“一些早期詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的结果曾被认为会挑战标准宇宙学模型，”荷兰莱顿大学天文学家伊戈尔·恰金表示，“一旦关键物理过程被更真实地表现出来，该模型就与我们观测到的现象保持一致。”

大爆炸之后，空间处于一种炽热混乱的等离子体状态，需要一段时间——大约几亿年——才能冷却并凝聚，从而形成第一批恒星和星系。这一从混沌等离子体到恒星的初始转变过程，对于理解宇宙如何发展到今天这个状态至关重要。

然而，这是宇宙历史中一个模糊的时期，目前无法直接观测，因此科学家依赖模拟等工具来尝试重现宇宙的形成与演化。

正如你所能想象的那样，这需要超级计算机提供大量的计算能力，为了减轻负担，许多模拟都基于对底层物理现象的简化模型，这些模型仍应能产生可靠的结果。

COLIBRE宇宙学模拟项目旨在解决这些空白，包括对气体、尘埃以及由恒星和黑洞驱动的强大喷流进行更详细的物理建模，以研究早期宇宙的演化。

“银河系内部的大量气体都是冷而尘多的，但以往的大型模拟不得不忽略这一点，”莱顿大学天文学家乔普·施耶说，“通过COLIBRE，我们终于将这些关键因素纳入其中。”

COLIBRE基本上就是一个装在虚拟盒子中的微型宇宙。科学家将各种成分放入其中，设定运行规则，然后让它从恒星诞生之前一直运行到今天。如果模拟结束时的结果与我们周围的宇宙相似，那么这些参数就可以被视为实际发生过程的一个合理近似。

规模最大模拟耗时7200万CPU小时，但成果值得。该程序基于恒星形成所依赖的冷气体。这种建模相当复杂，但研究人员纳入了实现其运行所需的额外物理和化学因素。

该模拟还包含了一个尘埃模型，其中颗粒分为三种类型和两种尺寸。这些微小的尘埃颗粒能够以多种方式影响宇宙的演化。例如，尘埃能促进自由原子结合成分子，并通过阻挡或与特定波长发生相互作用，改变辐射的传播方式。

最终，研究人员成功制造出一个与我们宇宙相似的虚拟宇宙。

“看到计算机模拟出的‘星系’与真实星系几乎难以分辨，并且拥有天文学家在实际观测数据中测量到的许多特性，比如数量、亮度、颜色和尺寸，这令人振奋，”英国杜伦大学物理学家卡洛斯·弗伦克表示。

最令人惊叹的是，我们仅通过求解膨胀宇宙中物理方程就能构建出这个合成宇宙。

尽管COLIBRE已将模拟结果推向更接近真实宇宙的阶段，但仍有一些问题尚未解答。詹姆斯·韦布空间望远镜在揭开宇宙黎明之谜的过程中，发现了一种天文学家称之为“小红点”的现象。

解释包括巨大的恒星、巨大的黑洞，甚至内部包含黑洞的巨大恒星。无论它们是什么，都难以轻易解释，而COLIBRE也还没有对此给出解释。

小红点的问题可能将成为未来调查的核心。不过目前来看，这些结果表明，我们正逐步接近解答宇宙历史上最神秘时期的一些问题。

该论文已发表于《皇家天文学会月刊》。