Астрофизики создали одну из крупнейших и наиболее детальных компьютерных моделей ранней Вселенной. Симуляция Lumina воспроизводит первые 2 млрд лет космической истории, позволяя проследить, как взаимодействие обычного вещества, тёмной материи и излучения влияло на формирование галактик. Модель поможет учёным проверять теории о развитии космоса и сопоставлять их предсказания с наблюдениями телескопов, включая James Webb.

Проект разработали исследователи Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian). Результаты работы опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Lumina предназначена не просто для визуализации далёкого прошлого. Она позволяет рассчитывать, как должна была развиваться Вселенная согласно современным физическим теориям, а затем сравнивать результаты моделирования с реальными астрономическими наблюдениями. Если обнаружатся существенные расхождения, это может указать на процессы, которые существующие модели пока не учитывают, рассказывает sciencedaily.com.

Как выглядела молодая Вселенная

После Большого взрыва космос постепенно охлаждался, вещество собиралось под действием гравитации, формировались первые звёзды и галактики. Их излучение меняло свойства окружающего газа, постепенно преобразуя Вселенную.

Воспроизвести эту историю непросто: необходимо одновременно учитывать движение газа, гравитационное влияние тёмной материи и распространение излучения. Все эти процессы взаимосвязаны, а их моделирование на больших масштабах требует огромных вычислительных ресурсов.

Lumina рассчитывает взаимодействие обычного вещества, тёмной материи и света на протяжении первых 2 млрд лет после Большого взрыва. Благодаря этому исследователи могут изучать не только возникновение первых галактик, но и то, как их развитие влияло на газ, заполняющий пространство между ними.

«Благодаря телескопу James Webb ранняя Вселенная стала новым захватывающим рубежом астрофизики. Чтобы понять, что мы видим с помощью этого телескопа, нам необходимо преобразовать наши теории в подробные предсказания», — говорит ведущий автор исследования Оливер Цир, сотрудник Института теории и вычислений при Центре астрофизики Гарварда и Смитсоновского института.

По его словам, после нескольких лет работы команда наконец получила результаты, которые можно сопоставлять с наблюдениями и изучать в виде визуализаций.

Вселенная размером в 1,5 млрд световых лет

По масштабу Lumina превосходит предыдущие сопоставимые симуляции более чем в 100 раз. Модель охватывает куб пространства, длина каждой стороны которого составляет около 1,5 млрд световых лет.

При этом исследователям удалось сохранить детализацию, необходимую для изучения отдельных галактик и других ярких объектов. Это позволяет одновременно рассматривать крупномасштабную эволюцию космоса и процессы, происходящие внутри отдельных галактик.

Такой подход особенно важен для интерпретации наблюдений современных телескопов. James Webb обнаруживает галактики, существовавшие на ранних этапах истории Вселенной. Чтобы понять, как эти объекты могли сформироваться и почему обладают именно такими свойствами, астрономам нужны модели, способные воспроизводить космическую эволюцию на сопоставимых масштабах.

В дальнейшем результаты Lumina можно будет сравнивать и с данными космического телескопа Nancy Grace Roman, который предназначен для масштабных обзоров Вселенной.

Как менялись водород и гелий

Одно из главных достижений проекта — моделирование реионизации гелия. В ходе этого процесса из атомов гелия под воздействием излучения выбиваются электроны, меняя состояние газа в межгалактическом пространстве.

Ранее исследователям было сложно одновременно воспроизводить этот процесс на огромных космологических масштабах и сохранять достаточную детализацию, чтобы отслеживать галактики и другие источники излучения, которые его вызывают.

Lumina позволяет проследить, как водород и гелий переходили к состояниям, характерным для современной Вселенной, и как этот процесс зависел от активности галактик.

«Впервые мы можем наблюдать, как водород и гелий переходили к своему современному состоянию на столь огромном объёме Вселенной, одновременно сохраняя возможность различать галактики и другие светящиеся объекты, которые вызывали эти изменения», — отмечает Аарон Смит, доцент физики Техасского университета в Далласе и соавтор исследования.

Изучение реионизации помогает понять, как излучение первых поколений звёзд и галактик преобразовало окружающую среду и повлияло на дальнейшую эволюцию космоса.

15 тысяч графических процессоров для одной симуляции

Для создания Lumina исследователи использовали более 15 000 графических процессоров суперкомпьютера Frontier, расположенного в Национальной лаборатории Ок-Ридж в штате Теннесси, США. Frontier входит в число самых мощных суперкомпьютеров мира.

Такие вычислительные мощности позволили смоделировать огромный участок ранней Вселенной, не отказываясь от детализации отдельных галактик и других структур. Система рассчитывала, как распространяется излучение, движется газ и формируются космические объекты под действием гравитации.

Полученная модель даёт учёным возможность изучать различные аспекты ранней космической истории, включая перемещение газа между галактиками, влияние излучения и появление областей с особенно интенсивным звездообразованием.

Что симуляция может рассказать о тайнах космоса

Следующий этап работы — сравнение предсказаний Lumina с данными астрономических наблюдений. Исследователи рассчитывают, что модель поможет разобраться в особенностях ранних галактик, которые обнаруживает James Webb, и уточнить представления о процессах, определивших облик молодой Вселенной.

Если наблюдения окажутся несовместимы с результатами симуляции, учёным придётся выяснять, в чём причина: в неполноте физических моделей, неточности исходных предположений или процессах, которые пока недостаточно хорошо изучены.

Lumina не является точной реконструкцией каждого события, происходившего после Большого взрыва. Это компьютерная модель, основанная на физических теориях и вычислительных приближениях. Её ценность заключается в том, что она позволяет проверять эти теории на огромном объёме пространства, одновременно учитывая множество взаимосвязанных процессов.

Чем точнее такие симуляции будут воспроизводить наблюдаемую Вселенную, тем лучше астрономы смогут объяснять происхождение первых галактик и условия, в которых формировались основные структуры космоса.