詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于2021年12月发射升空，是迄今为止建造的最灵敏的科学仪器之一。它是天空中的一只眼睛，也是一台时间机器。光以有限的速度传播，这意味着我们往太空看得越深，往后看得越远。7月，研究人员发布了第一批JWST图像，揭示了宇宙婴儿期形成的星系——130多亿年前，大爆炸后不到3亿年。我们从中得到的图像和推论是几十年规划的结果，不仅是为了建造望远镜，还为了对它可能发现的东西进行计算建模。
特别令人感兴趣的是星系。美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心的天体物理学家Aaron Yung说：“我真正关注的是它们的进化过程，这告诉了我们很多关于宇宙的信息。它是如何工作的？我们是如何到达这里的？我们一个人吗？”扁钢研究所的计算天体物理中心（CCA）在罗格斯大学读博士时。雷切尔·萨默维尔他是CCA的天体物理学家和小组组长，他说星系本身是美丽的，每个星系都是独一无二的。但她对它们的共同特征特别感兴趣。例如，螺旋星系的恒星比球体星系年轻，因此往往更蓝。萨默维尔说：“我认为，了解这些模式的来源真的很有意思。”。她、容和其他人近年来开发的模拟，在一系列论文中概述，帮助科学家规划JWST的使用，现在正在帮助他们解释其河外观测结果。
模型宇宙
从2018年开始，Yung、Somerville及其同事发表了一系列六篇论文，描述了他们开发的宇宙计算模型以及他们对JWST将揭示的内容所做的预测。他们发布模型时考虑了几个目标。首先，他们需要说服望远镜的时间分配委员会给他们宝贵的时间来使用它。容格和萨默维尔都是一个名为宇宙演化早期释放科学（CEERS）调查旨在探索早期宇宙中的星系。容闳总结了他们的推介：“我们提议用三台科学仪器在JWST上花72小时成像宇宙。根据我们的模拟，我们肯定会有令人兴奋的事情出现。所以请给我们时间。”他们做到了
其次，他们希望确保充分利用这段时间。他们的调查策略包括选择正确的视野、曝光时间和滤光片。这一切都取决于他们期望看到什么。在确定这些细节的同时，他们还创建了模拟图像，以测试其数据处理管道；这包括将通过不同滤镜拍摄的图像组合成彩色图像，以及从这些图像中提取银河属性。在他们的模型中，他们可以创建已知大小和距离（“地面真相”属性）的星系，然后模拟JWST的图像。他们将从这些合成图像中提取的属性与地面真实情况进行比较，直到他们能够可靠地准确提取属性。
在收集实际JWST数据之前执行这些任务不仅可以加快数据解释：它还可以增强对支撑他们预测的理论的信心。萨默维尔说：“理论家们经常被指责只做了后置词，并且在我们知道了我们的观察结果之后，对我们的模型进行了调整，使其符合我们的观察。”。对于一个给定的观察结果，可能有很多解释，但你不知道你已经选择了最好的一个，一个与未来的观察结果相匹配的。相反，如果你在收到真实数据之前选择了一个理论，并且它们相匹配，那么你很可能已经弄清了物理原理。
萨默维尔于1996年开始开发该模型，当时JWST的计划仍处于初级阶段。一种常用的模拟星系形成的方法是所谓的数值模拟。这种模拟将物质表示为网格中的粒子或填充细胞，然后在每个时间步应用重力、流体动力学和热力学定律。每个模拟可能需要几个月才能运行。萨默维尔的模型是一个半分析模型（SAM）。这本质上是一项记账工作，账目值显示热气体的数量或恒星的数量或其他数量。一组基于理论的公式定义了每个账户（或“水库”）如何影响其他账户。该模型忽略了每个质量块在空间中的位置，因此效率很高。
Yung说：“因此，我们现在不是跟踪数百万个粒子，而是跟踪数百万或数十亿个星系，这真的很简单。我们能够模拟实际出现在调查中的星系数量。”他们还可以改变他们的物理假设，例如恒星形成的效率，然后重新运行模型。他们可以将SAM运行数千次，而不是只运行一次数值模拟。他们一直在NASA和西蒙斯基金会使用超级计算机。
萨默维尔（Somerville）在加州大学圣克鲁斯分校（University of California，Santa Cruz）当博士生时就开始开发SAM（它被称为圣克鲁斯SAM），尽管多年来她进行了重要修改，但最初的框架仍保留了很多。Yung指出，他的角色是使用该模型根据即将到来的JWST调查进行预测，并为希望使用该模型的观察团队和研究小组提供支持，他将此任务轻描淡写地称为“客户服务”
解释空间的透明度
星系离我们越远，我们看到的时间就越远，随着宇宙膨胀，它们离我们的距离也越快。当物体后退时，它们的光波会拉伸，变得更红。天文学家称这种现象为红移。我们观察到红移为6到10的物体，与大约130亿年前一样。当Yung开始他的博士工作时，团队预计JWST将在几年内启动，宇宙中的这个非常早期的时间将是一个有趣的研究课题。
在他们的六篇论文中，容、萨默维尔和合作者提出了关于这些早期星系的各种各样的预测。他们首先对这些时期星系群的可观测物理特性进行预测。然后他们表明，这些预测与现有的观测结果非常吻合。
在宇宙早期，中性氢气吸收了宇宙的大部分辐射，使空间几乎不透明。但是有什么东西把氢原子上的电子打掉了，使其再次电离，让光通过。萨默维尔说：“这项工作的一个主要主题，也是建立JWST的主要原因之一，是试图确定再游离的来源。”。Yung和Somerville表明，他们基于物理的星系形成模型可以再现对发光星系的直接测量。此外，模拟预测再电离的宇宙时间点将与观测得出的时间一致。他们还量化了宇宙历史上不同时期产生电离光子的星系种类。
地球到梅西
前五篇论文考虑了许多参数来解释宇宙的基本物理。第六个选择最可能的参数，使模型易于观察者使用。重要的是，它还呈现了一个模拟的JWST-like“光锥”。许多模拟以快照的形式输出星系，其特性与模拟时间演化过程中不同宇宙时期的特性相同。然而，光锥沿着光从遥远的物体向我们传播时所走的路径呈现宇宙。容光焕发说：“光锥只是将盒子与我们看到的真实宇宙之间的空隙桥接起来。”。
7月，容格、萨默维尔和其他研究人员处理了JWST作为CEERS项目的一部分拍摄的首批图像，并宣布发现了一个最古老的星系，即大爆炸后2.9亿年的星系。他们以项目负责人的女儿的名字命名为梅西星系。该团队没想到这么早就有这么多星系存在。“宇宙充满了惊喜，”Yung说。
建模工作正在取得成效。萨默维尔说，研究人员查看JWST迄今为止提供的数据时，“最令人惊讶的是，在这些非常早期的时间里，发光星系的数量比我们预期的要多得多。”。也许暗物质，这种占宇宙质量85%的不可见物质，有助于星系的形成，并不像我们想象的那样起作用。或者，气体变成恒星的方式可能与假设的不同。人们现在使用萨默维尔模型不是为了预测我们将看到什么，而是为了理解我们刚刚看到的。
作者注：研究团队正在超越JWST，扩大对其他旗舰望远镜的支持，包括计划于2027年发射的NASA的罗马太空望远镜。展望未来，该项目将被称为“宇宙的半分析预测‘.
深入阅读：
Yung LYA、Somerville RS、Finkelstein SL等。半分析预测JWST公司–I.紫外线光度函数z（z） = 4–10.皇家天文学会月刊。2019;483(3):2983–3006.
Yung LYA、Somerville RS、Popping G等人。半分析预测JWST公司–二。星系的物理性质和标度关系z（z） = 4–10.皇家天文学会月刊。2019;490(2):2855–2879.
Yung LYA、Somerville RS、Popping G等人。半分析预测JWST公司–III.Lyman-continium辐射的固有生产效率.皇家天文学会月刊。2020;494(1):1002–1017.
Yung LYA、Somerville RS、Finkelstein SL等。半分析预测JWST公司–IV.宇宙再电离和LyC逃逸分数的含义.皇家天文学会月刊。2020;496(4):4574–4592.
Yung LYA、Somerville RS、Finkelstein SL等。半分析预测JWST公司–V.AGN光度函数和氦再电离z（z）= 2–7.皇家天文学会月刊。2021;508(2):2706–2729.
Yung LYA、Somerville RS、Ferguson HC等。半分析预测JWST公司–VI.模拟光锥和星系团预测.皇家天文学会月刊。2022;515(4): 5416–5436.
