Группа ученых из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и других научных центров создала самую масштабную и подробную компьютерную симуляцию ранней Вселенной. Модель под названием Lumina воссоздает первые два миллиарда лет космической истории, когда из первозданной тьмы рождались первые звезды и галактики.
После Большого взрыва Вселенная постепенно остывала, и примерно через 380 тыс. лет электроны соединились с ядрами, образовав нейтральный водород. Этот газ поглощал свет, из-за чего наступил период, известный как космические «темные века». Модель Lumina показывает, как излучение первых звезд и галактик постепенно «очистило» пространство от этого газа, сделав Вселенную прозрачной.
Симуляция охватывает область пространства шириной около 1,6 млрд световых лет и отслеживает поведение полутриллиона элементов, включая частицы темной материи и ячейки газа. Это позволяет одновременно изучать как формирование отдельных галактик, так и крупномасштабные процессы.
Lumina впервые воспроизводит два ключевых события той эпохи: реионизацию водорода и реионизацию гелия. В ходе этих процессов ультрафиолетовое излучение отрывало электроны от нейтральных атомов. Судя по результатам моделирования, за эти процессы отвечали разные источники. Водород ионизировали первые звезды и галактики, тогда как для ионизации гелия требовалось более мощное излучение, которое, как предполагает модель, исходило от сверхмассивных черных дыр.
Для расчетов ученые использовали один из самых мощных в мире суперкомпьютеров – Frontier, расположенный в Окриджской национальной лаборатории в штате Теннесси. Вычислительная мощность проекта была эквивалентна работе более 100 тыс. процессорных ядер и 15 тыс. графических ускорителей. По объему охваченного пространства Lumina превосходит предыдущие аналогичные симуляции в 100 раз, а по разрешению – примерно в 30 раз.
Разработчики открыли доступ к модели другим исследователям. Данные Lumina позволят астрономам лучше интерпретировать наблюдения, полученные с помощью новых телескопов. Поскольку симуляция генерирует огромные массивы виртуальных галактик, ученые смогут сопоставлять их с реальными данными масштабных обзоров неба, проверяя и уточняя современные космологические теории.
