15 000 видеокарт помогли смоделировать первые 2 млрд лет Вселенной
Астрономы из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института создали одну из самых масштабных компьютерных моделей ранней Вселенной. Симуляция Lumina воспроизводит первые 2 млрд лет космической истории и поможет объяснить наблюдения телескопов «Джеймс Уэбб» и космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман. Результаты опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Вселенная в объеме 1,5 млрд световых лет
Lumina показывает, как взаимодействовали обычное вещество, темная материя и излучение, как возникали первые галактики и менялся газ между ними. Модель охватывает область пространства в форме куба со стороной около 1,5 млрд световых лет. Это сопоставимо с масштабом, доступным наблюдениям современных мощных телескопов.
По объему симуляция более чем в 100 раз превосходит предыдущие сопоставимые модели. При этом она сохраняет достаточно высокую детализацию, чтобы ученые могли изучать формирование галактик, звезд и черных дыр. Исследователи рассчитывают, что Lumina поможет связать процессы на больших космических расстояниях с физическими явлениями внутри отдельных галактик.
«Телескоп "Джеймс Уэбб" превратил раннюю Вселенную в новую захватывающую область астрофизики, — говорит ведущий автор работы Оливер Цир, научный сотрудник Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института. — Чтобы понять, что мы видим благодаря этому телескопу, нужно превратить наши теории в подробные прогнозы».
По его словам, разработка модели заняла несколько лет, а ее результаты позволяют сравнивать расчеты с наблюдениями.
Как менялся состав ранней Вселенной
Одна из особенностей Lumina — моделирование повторной ионизации гелия. В ходе этого процесса атомы гелия теряли электроны под действием излучения, а газ менял свои физические свойства. Такие изменения влияли на дальнейшее развитие космоса. Lumina позволяет проследить этот процесс в огромной области пространства и одновременно учитывать его последствия для эволюции модели.
«Впервые мы можем проследить, как водород и гелий приобрели современное состояние в столь огромной области Вселенной, одновременно различая галактики и другие яркие объекты, которые вызвали эти изменения», — отмечает соавтор исследования Аарон Смит, доцент физики Техасского университета в Далласе.
Ранее ученым приходилось выбирать между масштабом модели и детализацией. Симуляции, охватывающие большие объемы космоса, не всегда позволяли достаточно подробно рассмотреть отдельные галактики. Более детальные расчеты, напротив, ограничивались сравнительно небольшими областями. Lumina призвана совместить оба подхода.
Для расчетов понадобился суперкомпьютер
Создание модели потребовало вычислительных мощностей суперкомпьютера Frontier в Национальной лаборатории Оук-Ридж в США. В расчетах участвовали более 15 000 графических процессоров. Они помогли одновременно моделировать движение газа, действие гравитации и распространение излучения на протяжении первых двух миллиардов лет космической истории.
Подобные симуляции нужны не только для визуализации космоса. Ученые сравнивают результаты расчетов с данными телескопов. Если наблюдения совпадают с прогнозами, это поддерживает существующие теории. Если обнаруживаются расхождения, они могут указывать на процессы, которые пока не удается объяснить.
В дальнейшем исследователи планируют использовать Lumina, чтобы изучать движение газа между галактиками, влияние излучения на развитие космоса и условия, в которых возникали области интенсивного звездообразования. Модель также поможет проверить, насколько хорошо современные представления о физических законах описывают формирование первых космических структур.
