Масштабная реконструкция. Суперкомпьютер смоделировал, как первые звезды и черные дыры вывели Вселенную из темноты
Читайте NV в Google
На изображении показаны различные этапы моделирования Lumina — от движения темной материи и частиц до образования областей ионизированного водорода и гелия под воздействием излучения первых галактик и сверхмассивных черных дыр (Фото: Коллаборация с Lumina)
Исследователи из Массачусетского технологического института и других научных учреждений создали масштабную компьютерную модель Lumina, которая воспроизводит первые 2 миллиарда лет истории Вселенной.
Об этом пишет издание ScienceDaily.
Модель охватывает участок космоса протяженностью около 1,6 млрд световых лет. Она позволяет проследить, как формировались первые галактики, распространялось излучение и менялось состояние газа, из которого состояла ранняя Вселенная.
После Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной. Со временем она расширялась и остывала, а электроны начали соединяться с атомными ядрами, образуя нейтральный водород. Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва началась так называемая космическая тёмная эпоха.
В этот период звёзд ещё не существовало, поэтому во Вселенной не было источников света. Пространство было преимущественно заполнено нейтральным водородом, поглощавшим определённые виды излучения.
Симуляция Lumina помогла воспроизвести, как постепенно менялось это состояние. Особое внимание ученые уделили двум процессам — повторной ионизации водорода и гелия. В ходе этих процессов излучение выбивало электроны из атомов газа, изменяя его свойства и делая Вселенную более прозрачной для света.
Моделирование показало, что основную роль в ионизации водорода играли первые звезды и галактики. В то же время для ионизации гелия требовалось значительно более мощное излучение, которое, согласно результатам симуляции, обеспечивали сверхмассивные черные дыры, активно поглощавшие окружающее вещество.
По словам профессора физики Массачусетского технологического института Марка Фогельсбергера, Lumina стала первой симуляцией, способной одновременно воспроизвести оба процесса в таком масштабе. Она также охватывает область космоса, объем которой в 100 раз превышает показатели предыдущих лучших моделей.
Для создания виртуальной Вселенной исследователи использовали около 500 миллиардов вычислительных элементов, включая частицы темной материи и ячейки, представляющие газ. Разработка опирается на предыдущую модель IllustrisTNG, но отличается значительно более высоким разрешением и наличием дополнительной системы, отслеживающей распространение света и его взаимодействие с веществом.
Расчеты выполнялись на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Оук-Ридж в США. На пиковом этапе вычислений задействовались мощности, эквивалентные более чем 100 тысячам процессорных ядер (CPU) и примерно 15 тысячам графических процессоров (GPU).
Модель начинает воспроизведение примерно через 45 млн лет после Большого взрыва. Она позволяет исследователям рассматривать процессы в различных масштабах — от распределения материи на огромных участках космоса до формирования отдельных галактик и первых звезд.
Ученые также опубликовали видео, демонстрирующие работу симуляции. На одном из них можно увидеть переход от всего смоделированного пространства к отдельной дискообразной галактике, а другое показывает, как в течение 2 млрд лет распространялись области ионизированного водорода.
Исследователи планируют использовать Lumina для изучения распределения материи в ранней Вселенной и прогнозирования характеристик гравитационных волн, которые могли возникнуть в результате древних процессов с участием галактик и черных дыр.
Еще одно направление работы — сравнение результатов моделирования с данными телескопических наблюдений. Благодаря большому объему симуляции ученые смогут сопоставлять ее результаты с обширными выборками далеких галактик, полученными в ходе будущих астрономических исследований. Это позволит проверить, насколько точно модель воспроизводит ранние этапы развития Вселенной.
