这项工作是MEGATRON项目的一部分，该项目由英国巴斯大学的研究人员主导，合作方包括美国芝加哥大学和法国巴黎天体物理研究所。该项目旨在探索最早的恒星和星系如何照亮了此前黑暗的宇宙，并开始产生和散布后来成为行星、生命及我们周围世界基本成分的化学元素。
MEGATRON的四项研究发表在《天体物理学开放期刊》（Open Journal of Astrophysics）上，将先进的宇宙学模拟与辐射、化学和星系形成的详细模型相结合。它们共同代表了该合作团队发表的首批主要成果集合，未来预计还会有更多研究。
将JWST与古老恒星线索联系起来
研究结果表明，如果研究人员想要将早期宇宙的两种不同记录联系起来，就需要准确模拟星光、气体和新产生的元素之间复杂的相互作用。
一种记录来自詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）对年轻星系的观测。另一种记录来自银河系（包含我们太阳系的星系）内部及周围一些最古老恒星中保存的化学特征。
JWST允许天文学家直接观测宇宙婴儿期的星系。古老恒星提供了不同类型的证据，充当着数十亿年前发生事件的化石记录。通过检查这些古老恒星内部的化学指纹，科学家可以推断出第一批恒星的样子，以及它们是如何开始用最早的化学元素丰富宇宙的。
MEGATRON模拟追踪一个年轻星系演化至质量与银河系大致相当的过程。这些模型同时追踪气体的运动方式、星光在空间中的传播路径以及不同化学元素浓度随时间的变化。
这使得研究人员能够探究在数十亿年的演化过程中，世世代代的恒星如何改变星系内部及周围的气体。
更简单的模型可能会遗漏重要的物理学
结果表明，不够详细的模型可能会低估恒星辐射和复杂化学过程对星系周围气体的影响程度。
通过以极高的分辨率模拟这些效应，研究人员能够捕捉到更简单方法可能遗漏的气体结构。这些额外的细节可以帮助天文学家对目前正在收集以及未来计划进行的观测做出更准确的预测。
直接窥探婴儿期宇宙
巴斯大学物理系的马丁·雷伊（Martin Rey）博士是MEGATRON合作项目的主要贡献者之一，他表示：“詹姆斯·韦伯空间望远镜让我们直接窥探婴儿期宇宙，而恒星考古学则让我们能够研究我们所在银河系邻近区域中那些最早时期的遗迹。MEGATRON在两者之间提供了一座物理桥梁。”
这些模拟从不含重元素的原始气体开始，重现了大爆炸后不久存在的条件。
在此基础上，这些模型追踪了第一批恒星的形成、这些恒星释放的辐射、它们生命终结时发生的超新星爆发，以及新产生的元素向后代恒星和星系的扩散。
重建这一过程有助于回答天文学中最基本的问题之一：构成现代宇宙的元素从何而来？
雷伊博士说：“使我们的世界和生命成为可能的元素——碳、氧、铁以及许多其他元素——都是由恒星锻造的。要了解这些元素从何而来，我们需要了解第一批恒星是如何形成并丰富其周围环境的。MEGATRON允许我们通过将详细的模拟与JWST的观测以及保存在古老恒星中的化学指纹进行比较，直接验证这些想法。”
追溯宇宙元素的起源
随着项目的推进，研究人员计划利用MEGATRON在理论模型和迅速改进的天文观测之间建立更强的联系。
JWST不断揭示关于一些已知最早星系的新信息，而大型恒星巡天正在对银河系内部及周围的古老恒星产生越来越详细的测量数据。结合这两种证据来源，可以为科学家提供关于第一代恒星更JianCe的全貌。
雷伊博士及其在巴斯大学的同事已经在致力于下一代MEGATRON模拟。
该项目已获得英国国家超级计算机上的4000万处理器小时。这一计算能力相当于同时运行500万台笔记本电脑整整一年。
这些额外的资源将使团队能够构建具有更高分辨率和更完整物理模型的模拟。随后，研究人员将能够在他们的模拟、JWST观测和保存在古老恒星中的化学化石记录之间进行越来越直接的比较。
“MEGATRON为解释天文学中最令人兴奋的两大新数据集——JWST对最早星系的观测和恒星化石记录——提供了一个共同的物理框架，”雷伊博士说。“这些互补的观测结合在一起，使我们能够以前所未有的方式检验关于第一批恒星的各种竞争模型。”
MEGATRON项目始于2023年，计划持续到2030年。