Новая компьютерная симуляция Lumina позволяет учёным детально увидеть, как ранняя Вселенная могла выйти из космических «тёмных веков» и прийти к первым галактикам, звёздам и ионизированному газу. Работа опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и объединяет моделирование формирования галактик с переносом излучения в единой системе, которая отслеживает космическую эволюцию в течение 2 миллиардов лет.
Ключевые факты
- Lumina начинается примерно через 45 миллионов лет после Большого взрыва, в эпоху «тёмных веков» Вселенной.
- Симуляция охватывает 500 мегапарсеков, или около 1,6 миллиарда световых лет.
- Она отслеживает тёмную материю, газ, звёзды и излучение на протяжении 2 миллиардов лет космического времени.
- Проект основан на симуляции IllustrisTNG и был запущен на суперкомпьютере Frontier в Ок-Риджской национальной лаборатории.
- Команда утверждает, что Lumina впервые в одной симуляции фиксирует и пере-ионизацию водорода, и пере-ионизацию гелия.
Что означает Lumina для исследователей ранней Вселенной
Для астрономов и космологов Lumina даёт новый способ сравнивать теорию с наблюдениями, которые поступят с нынешних и будущих телескопов. По словам команды, симуляция создаёт крупные популяции галактик, сопоставимые с данными будущих обзоров, а это может помочь точнее понять, как формировались первые галактики и чёрные дыры.
Симуляция важна ещё и потому, что связывает процессы малого масштаба, такие как звездообразование внутри галактик, с космической пере-ионизацией большого масштаба. Это даёт исследователям инструмент для изучения того, как ультрафиолетовый свет ранних галактик и излучение сверхмассивных чёрных дыр изменяли состояние водорода и гелия во Вселенной.
- Кого это касается: исследователей ранних галактик, космической пере-ионизации и крупномасштабной структуры.
- Что она даёт: высокодетализированный результат на объёме, который значительно больше, чем у прежних лучших симуляций, по словам команды.
- Что дальше: исследователи планируют использовать Lumina для картирования ранней крупномасштабной структуры и прогнозирования возможных гравитационно-волновых сигналов.
Что именно моделирует Lumina?
Lumina отслеживает тёмную материю, газ, звёзды и излучение на участке ранней Вселенной шириной 500 мегапарсеков. Симуляция начинается в «тёмные века», когда преобладал нейтральный водород, и прослеживает Вселенную через крупные изменения, в ходе которых водород и гелий стали пере-ионизированными.
По словам исследователей, пере-ионизацию водорода вызывал свет ранних галактик и звёзд, а пере-ионизацию гелия — гораздо более энергичное излучение первых сверхмассивных чёрных дыр в активной фазе аккреции. Команда утверждает, что это первая симуляция, которая захватила оба процесса.
Почему эта симуляция важна?
Исследователи говорят, что Lumina устраняет серьёзный разрыв между очень малыми и очень большими масштабами. Она моделирует полтриллиона отдельных элементов, включая частицы тёмной материи и ячейки газа, и делает это с примерно в 30 раз более высоким разрешением, чем IllustrisTNG, охватывая примерно в 100 раз больший объём, чем более ранние симуляции.
Такое сочетание позволяет проследить формирование гало тёмной материи, коллапс газа в галактики и распространение излучения от первых звёзд. Команда считает, что симуляция предназначена для помощи в интерпретации снимков с новых и будущих телескопов.
Как запускали Lumina?
Расчёт потребовал крупных суперкомпьютерных ресурсов. Команда запустила Lumina на Frontier, суперкомпьютере Ок-Риджской национальной лаборатории в Теннесси, и утверждает, что на пике расчёт задействовал эквивалент более чем 100 000 CPU-ядер и около 15 000 GPU.
Проект опирается на IllustrisTNG, которую ранее разработали учёные из MIT и других организаций. Для Lumina команда доработала этот код, чтобы он мог детальнее моделировать формирование галактик на гораздо большем космическом объёме и сочетать это с физикой переноса излучения.
Что будет дальше?
Команда планирует использовать Lumina для картирования крупномасштабной структуры ранней Вселенной и для изучения того, какие гравитационно-волновые сигналы могли бы создавать ранние галактики и чёрные дыры. Учёные также говорят, что симуляцию можно будет сравнивать с данными будущих телескопических обзоров по мере их появления.
В этом смысле Lumina — не просто визуальная реконструкция ранней Вселенной. Это ещё и тестовая площадка, которая показывает, могут ли физические модели сегодняшнего дня воспроизвести структуру, которую астрономы ожидают увидеть в реальных данных.
