Науковці зі Смітсонівського центру астрофізики створили одну з найбільших і найдетальніших комп’ютерних симуляцій раннього Всесвіту. Модель під назвою Lumina відтворює перші 2 мільярди років після Великого вибуху та показує, як темна матерія, газ і випромінювання взаємодіяли, формуючи найперші зорі, галактики й чорні діри. Про роботу повідомляє ресурс ScienceDaily.
Симуляція розроблена в Центрі астрофізики | Harvard & Smithsonian, щоб допомогти астрономам інтерпретувати спостереження з космічних телескопів Джеймса Вебба (JWST) та Ненсі Роман. Порівнюючи передбачення Lumina з реальними даними, дослідники можуть перевіряти, наскільки добре сучасні теорії описують еволюцію космосу, і виявляти явища, які не вписуються в чинні уявлення про фундаментальні закони природи.
Як симуляція відтворює ранній Всесвіт
Lumina — це найбільша на сьогодні космологічна симуляція з урахуванням радіаційної гідродинаміки. Вона використовує потужні суперкомп’ютери, щоб обчислити, як газ, темна матерія та світло впливали одне на одного в молодому Всесвіті.
Модель простежує ці взаємодії протягом перших 2 мільярдів років після Великого вибуху. Це дозволяє дослідникам вивчати, як зароджувалися найдавніші галактики та як їхня активність змінювала гігантські хмари газу навколо.
Симульований об’єм простору більш ніж у 100 разів більший за обсяги, які охоплювали попередні подібні проєкти. Віртуальний Всесвіт Lumina має форму куба приблизно 1,5 мільярда світлових років з кожного боку. Це масштаб, співставний із величезними ділянками космосу, які нині досліджують найсучасніші телескопи.
Ключовою новацією стала обробка процесу реіонізації гелію — коли інтенсивне випромінювання вибиває електрони з атомів гелію. Уперше симуляція такого типу простежує цю трансформацію в динаміці й одночасно враховує її вплив на навколишній Всесвіт. Це дає змогу вивчати зв’язок між еволюцією галактик, випромінюванням і газом, що заповнює простір між ними.
Суперкомп’ютер як машина часу
Щоб відтворити настільки великий фрагмент космічної історії, команді знадобилися виняткові обчислювальні ресурси. Дослідники задіяли понад 15 000 графічних процесорів на одному з найшвидших у світі суперкомп’ютерів Frontier, який розташований у Національній лабораторії Оук-Ридж у штаті Теннессі.
Така потужність дала змогу змоделювати величезний регіон раннього Всесвіту, не втрачаючи дрібних деталей, необхідних для аналізу окремих галактик та інших важливих структур. У результаті Lumina одночасно охоплює загальну еволюцію космосу й відстежує процеси, пов’язані з формуванням зір, галактик і чорних дір.
Навіщо астрономам потрібна Lumina
Симуляція не лише «програє» історію Всесвіту, а й створює нову платформу для вивчення того, як він розвивався. Дослідники планують використовувати Lumina для аналізу:
- руху газу між галактиками;
- впливу випромінювання, що залишилося від Великого вибуху;
- виникнення областей із особливо високими темпами зореутворення.
Порівнюючи ці теоретичні передбачення з даними телескопів Джеймса Вебба, Ненсі Роман та інших інструментів, астрономи прагнуть скласти більш повну картину найраніших етапів існування Всесвіту.
Якщо між змодельованим і реальним космосом виявляться несподівані розбіжності, це може вказати, де сучасні теорії потребують уточнення або навіть перегляду. Таким чином, Lumina стає важливим інструментом для перевірки наших уявлень про темну матерію, формування галактик і роль випромінювання в еволюції Всесвіту.