Учёные воссоздали первые два миллиарда лет эволюции Вселенной на суперкомпьютере
Международная группа астрофизиков создала масштабную компьютерную модель Lumina, позволяющую проследить, как ранняя Вселенная выходила из космических «тёмных веков» и в ней формировались первые звёзды, галактики и сверхмассивные чёрные дыры. Моделирование охватывает около двух миллиардов лет космической истории и область пространства протяжённостью примерно 1,6 миллиарда световых лет. Впервые в рамках одной столь масштабной симуляции исследователям удалось подробно воспроизвести процессы формирования галактик и изменения состояния водорода и гелия под воздействием излучения.
Разработку представили специалисты Массачусетского технологического института (MIT), Гарвардского университета и других научных организаций. Главной задачей проекта стало изучение эпохи, когда после Большого взрыва появились первые источники света, постепенно изменившие физические условия в межгалактическом пространстве.
Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что электроны начали соединяться с атомными ядрами, образуя нейтральные атомы водорода и гелия. Пространство стало прозрачным для реликтового излучения, однако звёзд и галактик тогда ещё не существовало. Наступил период, известный как космические тёмные века, который завершился с появлением первых светящихся объектов.
По мере формирования звёзд и галактик их ультрафиолетовое излучение начало воздействовать на окружающий нейтральный водород, выбивая электроны из атомов. Этот процесс получил название реионизации. Постепенно области ионизированного газа расширялись и объединялись, меняя прозрачность межгалактической среды для ультрафиолетового излучения. Именно этот переход считается одним из важнейших этапов ранней космической истории.
Модель Lumina позволяет проследить происходившие изменения одновременно в огромных масштабах и в отдельных формирующихся галактиках. Симуляция учитывает движение тёмной материи, распределение газа, образование звёзд и распространение излучения. Начальные условия соответствуют состоянию Вселенной примерно через 45 миллионов лет после Большого взрыва.
Для создания модели исследователи усовершенствовали программную систему IllustrisTNG, ранее разработанную для моделирования формирования и эволюции галактик. В новую версию добавили подробный расчёт распространения излучения и его взаимодействия с веществом. В результате Lumina охватывает объём пространства примерно в 100 раз больше, чем некоторые из наиболее подробных предыдущих моделей ранней космической реионизации.
В расчётах использовалось почти полтриллиона элементов, представляющих тёмную материю и газ. Для обработки такого количества данных учёные задействовали суперкомпьютер Frontier в Ок-Риджской национальной лаборатории США. На пике вычислений одновременно работали более 100 тысяч процессорных ядер и тысячи графических ускорителей.
Одним из главных результатов стало воспроизведение двух крупных преобразований межгалактической среды — реионизации водорода и повторной ионизации гелия. Моделирование показало, что основным источником излучения, вызывавшего реионизацию водорода, были молодые звёзды в ранних галактиках. Их ультрафиолетовое излучение постепенно изменяло состояние газа на огромных расстояниях.
Для повторной ионизации гелия требовалось значительно более энергичное излучение. Согласно модели, главную роль здесь играли активные ядра галактик, содержащие сверхмассивные чёрные дыры. Поглощая окружающее вещество, эти объекты создавали мощное излучение, способное удалять оставшийся электрон у однократно ионизированных атомов гелия.
Таким образом, Lumina позволила объединить в одной модели процессы, происходившие на разных этапах ранней истории Вселенной. Исследователи смогли проследить, как материя собиралась в плотные структуры, внутри них возникали галактики, а излучение звёзд и активных чёрных дыр постепенно изменяло окружающее пространство.
Особенность новой модели заключается и в возможности изучать отдельные галактики на фоне крупномасштабной структуры Вселенной. Учёные могут переходить от изображения огромной космической области к сравнительно небольшим скоплениям газа, из которых формируются звёздные системы. Такой подход помогает исследовать связь между развитием отдельных галактик и изменениями межгалактической среды.
Разработчики намерены предоставить результаты Lumina научному сообществу для сопоставления с реальными астрономическими наблюдениями. Особый интерес представляют данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» и будущих обзоров далёких галактик. Сравнение наблюдений с расчётами позволит уточнить представления о том, как быстро формировались первые звёздные системы и какую роль они играли в эволюции ранней Вселенной.
При этом Lumina остаётся компьютерной моделью, основанной на современных физических теориях и наблюдательных ограничениях. Она не представляет собой прямую запись событий прошлого, однако позволяет проверять различные сценарии космической эволюции и определять, насколько хорошо они согласуются с астрономическими данными.
Результаты исследования в научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.