Аннотация:
Астрономы использовали один из самых мощных в мире суперкомпьютеров для создания одной из крупнейших и наиболее сложных моделей ранней Вселенной. Этот исследовательский проект под названием «Люмина» воссоздает эволюцию первых 2 миллиардов лет после рождения Вселенной. Смоделированная область имеет длину около 1,5 миллиардов световых лет с каждой стороны. Его цель – помочь ученым понять, как сформировались первые звезды и галактики и как темная материя и излучение совместно формируют современную Вселенную.
Lumina была разработана исследователями Центра астрофизики, совместного проекта Гарвардского университета и Смитсоновского института. Результаты исследования были опубликованы в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества» 26 октября 2026 года. Исследовательская группа надеется использовать эту виртуальную вселенную для сравнения теоретической модели с данными, полученными космическим телескопом Джеймса Уэбба и римским космическим телескопом Нэнси Грейс, которые вскоре будут запущены в научные наблюдения, тем самым проверяя, могут ли существующие космологические теории объяснить истинный внешний вид ранней Вселенной.
Современная астрономия смогла наблюдать галактики, расположенные очень далеко от Земли. Свету этих объектов требуются миллиарды лет, чтобы достичь Земли, поэтому телескопы действительно могут помочь людям заглянуть в раннюю историю Вселенной. Однако одних наблюдений недостаточно, чтобы полностью объяснить, как образовались эти галактики. Ученым также необходимо использовать компьютерное моделирование, чтобы сделать вывод о том, как материя и энергия меняются на протяжении миллиардов лет, начиная с начальных условий Вселенной и основываясь на известных физических законах.
Этот тип моделирования эквивалентен созданию виртуальной лаборатории. Исследователи могут корректировать различные физические условия, наблюдать взаимодействия между звездами, галактиками, газом и темной материей, а также сравнивать результаты моделирования с реальными астрономическими наблюдениями. Если они совпадают, это означает, что существующая теория получила дополнительную поддержку; если есть очевидные различия, это может указывать на то, что в понимании учёными эволюции Вселенной всё ещё существуют пробелы.
Самая яркая особенность Lumina — ее масштаб. Вся симуляция охватывает кубическую область с длиной стороны около 1,5 миллиарда световых лет, что в 100 раз больше, чем предыдущие аналогичные симуляции. Столь огромный пространственный размах позволяет исследователям одновременно наблюдать за формированием крупномасштабных структур во Вселенной, а также за физическими процессами, происходящими вокруг отдельных галактик, звезд и даже черных дыр.
Это исследование является частью космического моделирования радиационной гидродинамики. В отличие от моделей, которые отслеживают только распределение материи, она также требует расчета сложных взаимодействий между газом, темной материей и излучением. Хотя темную материю нельзя наблюдать напрямую через свет, она может влиять на формирование галактик и других космических структур посредством гравитации; Излучение, испускаемое светящимися объектами, такими как звезды, изменит температуру и физическое состояние окружающего газа, тем самым влияя на последующую эволюцию Вселенной.
Особое внимание исследовательская группа уделила чрезвычайно важному этапу истории Вселенной – периоду реионизации. На заре существования Вселенной существовало большое количество газообразного водорода и гелия. Когда появились первые звезды и другие светящиеся объекты, испускаемое ими высокоэнергетическое излучение постепенно отрывало электроны от атомов, переводя окружающий газ в ионизированное состояние. Этот процесс глубоко изменил свойства газа во Вселенной, а также создал условия для последующей эволюции галактик и крупномасштабных структур Вселенной.
Важным достижением Lumina является то, что впервые в моделировании такого масштаба процесс реионизации гелия можно отслеживать динамически, а изменения, вызванные ионизацией гелия, могут немедленно влиять на другие физические процессы в моделировании. Раньше, хотя исследователям удавалось изучать некоторые связанные явления по отдельности, было сложно одновременно учитывать общую структуру Вселенной и микроскопические объекты, которые вызывают эти изменения в таком огромном пространственном диапазоне.
Аарон Смит, доцент кафедры физики Техасского университета в Далласе, принимавший участие в исследовании, сказал, что исследовательская группа теперь может отслеживать, как водород и гелий постепенно превращаются в состояния, с которыми они знакомы сегодня, в таком обширном диапазоне Вселенной, сохраняя при этом достаточное разрешение, чтобы наблюдать за галактиками и другими светящимися объектами, вызывающими эти изменения.
Для выполнения такого сложного моделирования требуются чрезвычайно большие вычислительные ресурсы. Исследователи использовали суперкомпьютер Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж в США и более 15 000 графических процессоров для выполнения расчетов. Frontier — один из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, а его мощные параллельные вычислительные мощности позволяют исследовательской группе расширять объем моделирования, сохраняя при этом детали, необходимые для изучения отдельных галактик, звезд и черных дыр.
Исследователи говорят, что Lumina — это не просто создание визуальной демонстрации эволюции Вселенной. Его более важная ценность состоит в том, чтобы помочь ученым проверить различные космологические объяснения и предоставить проверяемые предсказания для будущих телескопических наблюдений. Например, исследователи будут дополнительно анализировать, как газ течет между разными галактиками, как излучение, оставшееся от Большого взрыва, влияет на эволюцию Вселенной и как происходит и изменяются регионы, где происходит особенно активное звездообразование.
Поскольку такое оборудование, как космический телескоп Джеймса Уэбба и римский космический телескоп, продолжает предоставлять более подробные данные наблюдений далекой Вселенной, ожидается, что Lumina станет важным инструментом, соединяющим теоретические модели и реальные наблюдения. Ученые могут сравнивать смоделированную Вселенную с реальной Вселенной в поисках явлений, которые могут объяснить существующие теории, а также тех различий, которые до сих пор не могут быть объяснены разумным образом.
Исследовательская группа надеется, что эта виртуальная вселенная, охватывающая 1,5 миллиарда световых лет, в конечном итоге поможет людям глубже понять, что произошло в первые 2 миллиарда лет после Большого взрыва и как первые галактики родились из материи и энергии ранней Вселенной.
Комментарии