Суперкомпьютер смоделировал Вселенную с 13,4 трлн частиц темной материи
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории США провели две масштабные компьютерные симуляции Вселенной. Они смоделировали движение 13,4 трлн частиц темной материи в пространстве размером 28,6 млрд световых лет. Как сообщает Аргоннская национальная лаборатория, расчеты помогут проверить теории о том, как развивалась Вселенная вскоре после Большого взрыва.
Обе симуляции выполнил суперкомпьютер Aurora примерно за четыре дня. Для каждого расчета использовали 8100 вычислительных узлов и около 50 000 графических процессоров. В результате система создала более 85 петабайт данных — объем, сопоставимый с миллионами фильмов в высоком разрешении. Для научной работы сохранили около 8 петабайт.
Как темная материя помогла сформировать галактики
Проект возглавил вычислительный астрофизик Николас Фронтьер. Его команда изучает космическую инфляцию — предполагаемый период сразу после Большого взрыва, когда Вселенная чрезвычайно быстро увеличилась в размерах. Ученые пока не знают точно, что вызвало это расширение.
Согласно одной из ведущих теорий, в ранней Вселенной существовали крошечные случайные колебания плотности материи. Во время инфляции они растянулись на огромные расстояния. Позже гравитация усилила эти различия, и материя постепенно собралась в крупные структуры, из которых сформировалась космическая паутина — скопления и протяженные нити галактик.
В этом процессе важную роль сыграла темная материя. Ее нельзя увидеть напрямую, но ученые знают о ее существовании по гравитационному воздействию на обычное вещество. Она помогает объяснить, как формировались галактики и их скопления.
Исследователи хотят выяснить, сохранились ли в распределении материи следы самых ранних событий. В частности, они ищут небольшие отклонения от закономерностей, которые предсказывают простейшие модели инфляции. Такие следы могли бы помочь понять, как именно расширялась Вселенная в первые мгновения своего существования.
Зачем понадобилось так много частиц
Предполагаемые следы ранних процессов очень слабы, и их легко спутать со случайными различиями в распределении материи. Поэтому ученым нужна модель, которая охватывает огромную область Вселенной и одновременно достаточно подробно показывает, как материя собирается под действием гравитации.
Для расчетов использовали программу HACC, разработанную в Аргоннской лаборатории. Она позволяет запускать космологические симуляции на разных суперкомпьютерах. В этот раз исследователи учитывали только гравитацию, не моделируя газ, звезды и другие процессы. Благодаря этому они смогли охватить больший объем пространства и использовать триллионы частиц.
Обе симуляции описывают одну и ту же космологическую модель, но отличаются исходным распределением небольших колебаний плотности. Сравнение результатов позволяет отделить общие закономерности от случайных эффектов. При этом исследователи скрыли силу специально заложенного сигнала, чтобы проверить методы анализа, не зная заранее правильного результата.
Как симуляции помогут изучать космос
Компьютерные модели позволят ученым заранее проверить методы анализа будущих наблюдений и понять, какие ошибки могут исказить результаты. Затем эти методы применят к данным крупных астрономических проектов, включая DESI — обзор распределения галактик для изучения темной энергии — и космический телескоп НАСА SPHEREx, который исследует Вселенную в инфракрасном диапазоне.
Сравнивая реальные наблюдения с результатами симуляций, ученые смогут точнее проверять теории о развитии Вселенной. Вычислительные ресурсы для проекта предоставило Министерство энергетики США в рамках программы поддержки масштабных научных расчетов INCITE.
