Нова суперкомп’ютерна симуляція під назвою Lumina дає змогу простежити, як Всесвіт вийшов із космічної «темної доби» та перетворився на простір, наповнений зірками й галактиками. Про це повідомляє команда Массачусетського технологічного інституту в матеріалі на ScienceDaily.
Lumina відтворює приблизно 2 мільярди років ранньої історії Всесвіту в області шириною близько 1,6 мільярда світлових років. Вона показує, як формувалися галактики, як поширювалося випромінювання та як Всесвіт поступово став прозорим для світла.
Від гарячої плазми до космічної темної доби
Історія починається з Великого вибуху, коли Всесвіт був надзвичайно гарячим і щільним, заповненим електронами та іншими субатомними частинками. Ця первинна плазма швидко розширювалася й охолоджувалася.
З часом частинки сповільнилися настільки, що електрони змогли поєднатися з ядрами, утворивши електрично нейтральний водень. Через приблизно 380 тисяч років після Великого вибуху Всесвіт увійшов у період, відомий як космічна «темна доба». Простір тоді вже був прозорим для випромінювання, що залишилося від Великого вибуху, але зірки ще не сформувалися, і нових джерел світла не було.
Нейтральний водень заповнював космос і добре поглинав певні типи випромінювання, зокрема ультрафіолет. Модель Lumina дозволяє простежити, як цей ранній стан поступово змінився й привів до появи перших зірок, галактик і надмасивних чорних дір, які й поклали край темній добі.
Як зорі та чорні діри змінили ранній Всесвіт
Симуляція охоплює об’єм розміром близько 500 мегапарсеків (1,6 млрд світлових років) і відстежує темну матерію, газ, зірки та випромінювання. Lumina одночасно показує поведінку матерії на гігантських масштабах і «народження» окремих галактик.
Одне з головних досягнень моделі — відтворення двох ключових етапів в еволюції раннього Всесвіту: реіонізації водню та реіонізації гелію.
- Реіонізація водню почалася, коли перші зорі й галактики почали випромінювати дедалі більше ультрафіолетового світла. Це енергійне випромінювання вибивало електрони з нейтральних атомів водню, перетворюючи їх знову на йони. У міру того як іонізованого водню ставало більше, Всесвіт ставав прозорішим для ультрафіолетового випромінювання, і нейтральний газ, що домінував раніше, поступово розсіювався.
- Реіонізація гелію потребує ще більш енергійного випромінювання. Результати симуляції вказують, що основну роль у цьому процесі відіграли активно «живлені» надмасивні чорні діри в центрах галактик, тоді як реіонізацію водню переважно забезпечували перші покоління зірок і галактик.
Lumina стала першою моделлю, яка одночасно деталізовано відтворює обидва процеси, даючи ціліснішу картину того, як ранній Всесвіт з темного, заповненого нейтральним газом, перетворився на прозорий і зоряний.
За словами керівника роботи, професора фізики MIT Марка Фоґельсберґера (Mark Vogelsberger), Lumina охоплює і маломасштабне формування зірок і галактик, і великомасштабну реіонізацію водню та гелію в об’ємі, що приблизно у 100 разів перевищує розмір попередніх найкращих симуляцій.
Пів трильйона елементів і тисячі процесорів
Назва Lumina походить від латинського слова «світла». Вона спирається на попередній проєкт IllustrisTNG, розроблений, зокрема, дослідниками з MIT. Той моделював формування галактик від Великого вибуху до сьогодення, відстежуючи взаємодії темної матерії, газу та інших фізичних процесів.
Щоб створити Lumina, вчені суттєво модернізували це програмне забезпечення. Вони додали модель перенесення випромінювання, яка розраховує, як світло, зокрема ультрафіолет, рухається крізь простір та взаємодіє з речовиною. Завдяки цьому симуляція може одночасно відстежувати і народження галактик, і великомасштабні зміни, які створює випромінювання.
У результаті модель містить близько пів трильйона окремих елементів — частинок темної матерії та комірок газу. Вона забезпечує приблизно у 30 разів вищу роздільну здатність, ніж IllustrisTNG, і при цьому охоплює в 100 разів більший за обсягом фрагмент Всесвіту порівняно з попередніми передовими симуляціями.
Щоб відтворити мільярди років взаємодій між такою кількістю елементів, потрібні були надзвичайні обчислювальні ресурси. Дослідники використали один із найпотужніших суперкомп’ютерів світу — Frontier в Національній лабораторії Оук-Ридж у США. Співавтор роботи Сюецзян (Джейкоб) Шень (Xuejian (Jacob) Shen) з MIT зазначає, що на піку розрахунків залучалося еквівалент понад 100 тисяч процесорних ядер і близько 15 тисяч графічних процесорів.
Віртуальний Всесвіт, у якому можна «наближати» галактики
Lumina стартує приблизно через 45 мільйонів років після Великого вибуху, коли нейтральний водень домінував у Всесвіті. Початкові умови симуляції базуються на сучасних уявленнях про розподіл матерії в той період.
Далі модель обчислює, як газ і темна матерія взаємодіють у межах пів трильйона елементів у процесі космічної еволюції. Паралельно відстежується поява й поширення випромінювання, зокрема ультрафіолетового світла від перших зірок.
У результаті вчені отримують «віртуальний Всесвіт», який можна досліджувати на різних масштабах — від великомасштабної структури матерії до формування окремої галактики. На сайті проєкту опубліковані відео, де видно, наприклад, «зум» від усього симульованого об’єму до дископодібної галактики, а також прискорений перегляд, як хвиля реіонізації водню поширюється простором протягом 2 мільярдів років.
Дослідники показують, як темна матерія й газ збираються в надщільні області — гало. Газ притягується в ці гало, де формуються перші галактики та зорі. Ці зорі випромінюють світло, а симуляція відстежує, як це випромінювання виривається із галактик, проходить крізь космос і поступово йонізує нейтральний водень.
Можливість «перемикатися» між такими різними масштабами — одна з ключових переваг Lumina. Вчені можуть водночас вивчати народження окремих галактик і те, як сукупне випромінювання всіх цих об’єктів змінює Всесвіт на гігантських відстанях.
Інструмент для перевірки теорій про ранній Всесвіт
Команда планує використовувати Lumina для дослідження великомасштабної структури матерії в ранньому Всесвіті та для прогнозування сигналів, зокрема можливих гравітаційних хвиль, від давніх галактик і чорних дір.
Одна з головних переваг Lumina — її масштаб. Вона створює величезні «каталоги» віртуальних галактик, які можна безпосередньо порівнювати з даними нових оглядів неба. Майбутні телескопи збиратимуть усе докладнішу інформацію про далекі галактики, і такі симуляції стануть ключовими для перевірки наших уявлень про ранній космос.
Люмінa відкрито для інших дослідників: її передбачення щодо структури раннього Всесвіту можна зіставляти з уже наявними та майбутніми спостереженнями. Це допоможе краще зрозуміти, як формувалися перші зорі та галактики й як їхні зорі та надмасивні чорні діри поступово перетворили темний, заповнений газом Всесвіт на прозорий космос, який ми бачимо сьогодні.
У роботі брали участь дослідники з MIT, Гарвардсько-Смітсонівського центру астрофізики, Техаського університету в Далласі, Йоркського університету (Канада) та Інституту астрофізики Товариства Макса Планка в Німеччині. Дослідження частково підтримали NASA і Національний науковий фонд США, а також обчислювальні програми Міністерства енергетики США.