十四亿年前，宇宙大爆炸创造了宇宙——或者说，它真的创造了吗？如果“宇宙”指的是一个漆黑一片、没有恒星、星系、行星，甚至没有任何生命迹象的深渊，那么宇宙大爆炸确实是罪魁祸首。但如果你指的是我们今天看到的繁星点点的宇宙，一个至少包含一颗有生命的行星的宇宙，那么宇宙大爆炸就是一个失败。时间开始后的 1 亿年里，宇宙比一摊泥水还要乏味。只有少数几种元素——主要是氢和氦，以及微量的锂和铍——在无边无际的黑暗中回荡。如果当时有人能打赌未来，那么明智的选择会是继续保持现状：黑暗、空虚、死亡。但令人难以置信的是，奇迹般地，宇宙——这个终极的黑马——却战胜了这些概率。它重获新生。在漫长的 1 亿年黑夜结束后，氢云坍塌并被点燃。在第一批恒星的炼炉中，原子被粉碎、燃烧，并转化为更复杂的粒子，例如我们手中这张纸中的碳，或正拿着这张纸的手中的碳。那个时刻——当宇宙第一次被点亮——无异于第二次创生，那才是真正重要的创生。然而，天文学家们至今仍无法看到那宇宙的黎明，因为它远远超出了任何现有望远镜的探测范围。“啊，但人的志向应该超越他的能力，”罗伯特·勃朗宁写道，“否则天堂还有什么意义？”或者，正如天体物理学家汤姆·阿贝尔可能会说的，“电脑有什么用？”阿贝尔并没有将我们的能力延伸到天堂，但他已经触及了光线改变了浑浊宇宙的那个时间和地点。他和另外两位同事利用软件，借助一个惊人的计算机程序，重现了那个被比太阳大数百倍、比太阳亮数百倍的巨大炽热氢球所统治的遥远时代。它们是第一批恒星，与今天宇宙中的任何恒星都不同。它们创造了所有未来恒星所必需的一切，以及我们今天所知的生命的基本元素。这些火球燃烧了大约 300 万年，然后在阵阵爆炸中消亡，远在我们今天看到的任何天空中的天体出现之前。而它们的死亡，则催生了生命。那些最早的巨大恒星中的一部分，就在我们的血液、骨骼和皮肤中。甚至可能构成地球的星尘，也是由那些撕裂最早的恒星的爆炸射入虚空的。
在银河系晕中漂浮着的球状星团，距离地球仅 7000 光年，这里是光学望远镜看到的已知最古老的恒星之一的家园。球状星团可以包含多达 100 万颗密集排列的低质量恒星，它们是宇宙第一批恒星的后代，巨大的氢火球在超新星爆发中熄灭。要近距离观察这个星团，请参阅 下方。
照片由 NOAO/AURA/NSF 提供。
在宾夕法尼亚州立大学校园一座毫不起眼的混凝土建筑里，一个名叫汤姆·阿贝尔的六英尺高的有生命的星尘矩阵，正比任何望远镜都看得更远。阿贝尔 32 岁，在德国出生和接受教育。他的英语很流利。他穿着一件宽松的白衬衫，外面不扎进去，配黑色牛仔裤和凉鞋，左耳戴着一个金耳环。当他不重现宇宙时，他喜欢跳伞——他的网站上有一张他从飞机上俯冲的照片；他看起来在尖叫。现在他踏实地站在地面上，观察着他台式电脑平板显示器上的宇宙。他拥有一个上帝视角，看到了宇宙大爆炸后 1 亿年的景象，那时宇宙只有现在大小的三十分之一，而宇宙的黑暗时代即将结束。显示器上充满了像迷幻香烟烟雾一样的多色氢气涡流，用不同的颜色编码来显示不同的密度。几秒钟内，数万年的时光飞逝而过，翻腾的气体云开始汇聚成一个初生的火球。目前，显示器描绘了一个 20000 光年宽的虚拟时空（参见下方“什么是时空？”），大约是我们自己星系直径的五分之一。但阿贝尔可以放大他创造的局部区域。轻松地在巨大的空间和时间尺度上切换焦点的能力是模拟的关键特征。显示器上出现的每一个图像都由一个由数千个独立单元组成的网格构成。在每个单元内，计算机求解涉及重力、热流以及原子和分子碰撞的几十个方程。当阿贝尔选择放大某个区域时，即使它只有他先前视野大小的千分之一，图像的分辨率也不会改变，也不会像放大的照片那样变得模糊。底层的网格仍然由数千个单元组成，每个单元都经过精确的物理计算。这个模拟就像一个非凡的显微镜，无论目标物体是大是小，都不会失焦。驱动这个令人印象深刻的程序的不是计算能力，而是对从分子到跨越数光年的引力相互作用的恒星物理学的深入理解。“每次我们不得不停止研究，都不是因为我们没有足够大的计算机，”阿贝尔说。“而是因为我们没有更多的物理学知识了。格雷格·布莱恩，现在在牛津大学，他编写了允许我们聚焦于正在坍缩的区域的程序。我们不会丢失任何分辨率。如果我们的计算机模拟的最大体积包含整个地球，那么我们最小的网格将是你体内红血球的大小。”阿贝尔、布莱恩和加州大学圣地亚哥分校的物理学家迈克尔·诺曼已经在这个台式宇宙上工作了七年。他们的工作不仅改变了天文学家对宇宙如何首次被点亮的看法，也标志着天文学家工作方式的重大转变。直到最近，宇宙学主要由观测驱动——一位天文学家发现了一个神秘的现象，然后试图弄清楚它是什么。例如，在 20 世纪 50 年代末，天文学家在天空各处发现了强大的无线电源。它们被标记为类星体，即类恒星射电源。但多年过去了，没有人明白它们是年轻星系的明亮核心。阿贝尔、诺曼和布莱恩的工作颠倒了这个过程，这恰好使宇宙学更具预测性。当在计算机上建模时，宇宙就变成了一个实验室，天文学家可以在其中测试他们的理论。通过创建今天望远镜无法观测到的恒星模型，阿贝尔的团队可以告诉天文学家们他们将在 10 年后看到什么。那么，当望远镜变得更好时，他们会看到什么？阿贝尔调整了一下座位，鼠标点击启动了模拟。它开始是这样的：显示器上显示一个黑暗的宇宙——宇宙在大爆炸后 1300 万年的样子。就像海洋表面一样，黑暗隐藏着强大的洋流。有什么东西在深处搅动。暗物质，曾经随机散布在宇宙各处，开始聚集在一起。天文学家估计，这种神秘物质占宇宙物质的 90% 以上。他们之所以知道它的存在，仅仅是因为他们能探测到它对星系运动的影响。但他们无法直接看到它，也不知道它是由什么组成的。屏幕快进了 9000 万年。仍然是黑暗的，但现在模拟显示了一个有结构的宇宙。暗物质的纤维像巨大的网一样伸展在宇宙中。还有另一个几乎难以察觉的成分，像最薄的薄雾一样在太空中飘荡：一种气体，主要是氢。在引力的作用下，气体开始在暗物质最密集的区域周围形成云。每朵云都含有足以形成 10 万个太阳的物质。相比之下，我们的银河系包含数千亿个太阳。阿贝尔又让 5000 万年流逝，然后放大其中一朵氢云，将视野从 18000 光年缩小到 1800 光年。如果我们不是在看电脑显示器，而是透过火箭飞船的舷窗，那么我们就必须以超光速旅行才能看到如此快速变化的景象。这朵云本身占据了屏幕的三分之一；它大约有 600 光年宽，仍然蕴含着足以形成 10 万个太阳的氢。现在，这是自创世之火在大爆炸后冷却以来，第一次有温暖进入宇宙：整朵云已经开始发光。在模拟中，它看起来几乎像一朵花，一朵橘红色的虞美人，在暗物质和真空的黑色天鹅绒背景下显得脆弱而渺小。发光来自于气体在引力的作用下向云中心坠落时被压缩和加热，那里将诞生第一颗恒星。这种加热就是简单的庭院物理学——压缩的气体变热，就像打气球时空气变热一样。但这却是巨型规模的庭院物理学：每隔一百年，就有足够形成地球太阳的气体注入这个胚胎。
哈勃深场图像，由 342 次曝光组成，覆盖了天空的一小片区域，提供了一个望远镜般的视角，可以看到延伸至宇宙可见地平线的星系。天文学家使用这类图像来寻找早期宇宙的遗迹。宾夕法尼亚州立大学天文学家尼尔·布兰特说：“当时能成为天文学家一定很了不起。你可以抬头用肉眼看到类星体。”照片由 NASA/STSCI/HST 提供。
