Учёные создали Lumina — одну из самых масштабных и подробных симуляций ранней Вселенной, способную одновременно проследить образование тёмной материи, газа, первых звёзд и галактик. Для расчётов потребовался суперкомпьютер Frontier: на пике одновременно работали эквивалент более 100 тысяч процессорных ядер и около 15 тысяч графических ускорителей.

Модель начинается примерно через 45 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенная находилась в так называемых тёмных веках, и прослеживает следующие два миллиарда лет её развития.

Масштаб получился огромным. Lumina охватывает куб пространства шириной примерно 1,6 млрд световых лет и содержит около полутриллиона вычислительных элементов, описывающих газ и тёмную материю.

От тёмных веков до первых ярких галактик

После образования нейтрального водорода ранняя Вселенная была практически непрозрачной для большей части света. Ситуация начала меняться, когда появились первые звёзды и галактики.

Их ультрафиолетовое излучение постепенно снова ионизировало водород — отрывало электроны от атомов. Этот период называют эпохой реионизации, и именно его особенно трудно изучать непосредственно.

Lumina впервые в одной столь крупной модели одновременно прослеживает два процесса: реионизацию водорода и более позднюю реионизацию гелия.

Расчёты показывают разную природу этих событий. Водород в основном ионизировало излучение молодых звёзд и галактик, тогда как для гелия куда важнее оказались активные сверхмассивные чёрные дыры, производившие значительно более энергичное излучение.

В основе Lumina лежит известный программный комплекс IllustrisTNG, но его серьёзно переработали. К модели формирования галактик добавили полноценный перенос излучения, чтобы компьютер рассчитывал не только движение вещества под действием гравитации, но и распространение света через межгалактический газ.

Зачем понадобился Frontier

Главная сложность подобных моделей всегда заключалась в компромиссе. Можно было подробно просчитать небольшой участок Вселенной или охватить огромный объём, но с гораздо меньшей детализацией.

Lumina пытается получить и то и другое.

По словам разработчиков, моделируемый объём примерно в 100 раз больше, чем у прежних работ сопоставимого класса. При этом разрешения хватает, чтобы внутри общей космической паутины рассматривать формирование отдельных галактик.

Именно здесь понадобился Frontier — один из мощнейших суперкомпьютеров мира. Огромное количество процессоров должно постоянно обмениваться данными, одновременно рассчитывая гравитацию, газ, звездообразование и движение излучения.

Но красивую визуализацию нельзя воспринимать как точную запись того, что действительно происходило 13 млрд лет назад. Lumina рассчитывает один физически правдоподобный вариант развития Вселенной, исходя из современных космологических моделей и начальных условий.

Проверять её теперь будут настоящими наблюдениями. Результаты можно сопоставлять с галактиками, которые видит «Джеймс Уэбб», а в будущем — с огромными обзорами телескопа Nancy Grace Roman.

Именно здесь крупный размер модели особенно полезен: вместо нескольких редких галактик исследователи получают огромную виртуальную выборку, которую можно сравнивать с будущими наблюдениями почти статистически.