随着大爆炸，宇宙以炽热致密的电子‑亚原子等离子体出现，随后快速膨胀冷却。约 $3.8\times10^5$ 年后，氢原子中和形成，光被中性氢遮蔽，进入所谓的暗时代。近期，MIT、哈佛等团队在《月刊皇家天文学会杂志》发表了 Lumina——一个体积 500 Mpc（约 1.6 十亿光年）的高分辨率模拟，追踪暗时代至随后 20 亿年内的演化。Lumina 同时记录暗物质、气体、恒星以及光子等辐射的相互作用，能够在宏观宇宙尺度和单个星系细节之间自由切换。
在模拟的 20 亿年时间里，Lumina 捕捉到两次关键的再电离过程。氢再电离由早期星系和恒星释放的紫外光驱动，使中性氢失去电子，光子得以自由传播；氦再电离则需要更高能的光子，主要来源于活跃的早期超大质量黑洞的吸积辐射。首次在同一模拟中完整呈现氢、氦双重再电离。
Lumina 基于此前的 IllustrisTNG 框架，代码经升级后能够在 500 Mpc 的体积内保持星系形成的细节。模拟包含约 $5\times10^{14}$ 个暗物质粒子和气体单元，分辨率约为 IllustrisTNG 的 30 倍。整个计算在美国橡树岭国家实验室的 Frontier 超算上完成，峰值使用超过 10 万 CPU 核心和 1.5 万 GPU，实时通信与数万亿相互作用的处理堪称计算工程的壮举。
模拟从大爆炸后约 4500 万年（暗时代中期）启动，设定符合理论的初始条件。随后，系统自行演化，气体在暗物质势阱中聚集形成首批星系，星系内部产生第一代恒星，辐射向外传播并逐步电离周围氢气。团队在项目网站提供了多段视频，展示从全局宇宙结构到单个盘状星系的 zoom‑in，以及氢再电离随时间的时序动画。相比以往模拟，Lumina 在尺度跨度上实现了前所未有的统一。
未来，Lumina 将用于绘制早期宇宙的大尺度结构，预测早期星系和黑洞产生的引力波信号，并与即将上线的观测设施的数据进行对比。其庞大的星系样本量有望帮助解释即将到来的大规模巡天结果。
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