Суперкомпьютерная симуляция Lumina показала, что первые звёзды и галактики ионизировали космический водород, тогда как сверхмассивные чёрные дыры обеспечили энергию для реионизации гелия и вывода Вселенной из тёмных веков.
Ключевые тезисы
- Симуляция Lumina воссоздала 2 миллиарда лет ранней истории Вселенной в объёме шириной около 1,6 миллиарда световых лет (500 мегапарсек) с использованием полутриллиона элементов.
- Модель впервые объединила реионизацию водорода и гелия: водород ионизировали преимущественно первые звёзды и галактики, а гелий — излучение активно питающихся сверхмассивных чёрных дыр.
- Расчёты проводились на суперкомпьютере Frontier с задействованием более 100 тысяч ядер CPU и около 15 тысяч GPU на пике нагрузки.
Астрофизики создали суперкомпьютерную симуляцию Lumina, которая воссоздала два миллиарда лет эволюции ранней Вселенной в гигантском объёме шириной около 1,6 миллиарда световых лет. Модель впервые объединила формирование отдельных галактик с двумя ключевыми этапами реионизации водорода и гелия, показав, как первые звёзды и сверхмассивные чёрные дыры сделали космос прозрачным для света.
Исследование группы учёных из Массачусетского технологического института (MIT), Гарвардского университета и других научных центров опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Название симуляции переводится с латыни как «огни», и оно точно отражает суть эксперимента: проследить, как в первозданной темноте зажглись первые источники излучения и перестроили космос за миллиарды лет до появления Солнечной системы.
Тьма после Большого взрыва и эпоха нейтрального газа
История начинается со времён после Большого взрыва, когда вся Вселенная представляла собой сверхгорячую и сверхплотную плазму из электронов и других субатомных частиц, изначально меньшую, чем один атом. По мере стремительного расширения эта первичная смесь остывала, пока примерно через 380 тысяч лет частицы не замедлились настолько, что электроны смогли соединиться с атомными ядрами.
После соединения электронов с ядрами во Вселенной появился электрически нейтральный водород, и наступили так называемые космические тёмные века. Пространство уже пропускало большую часть остаточного излучения Большого взрыва, однако звёзд ещё не существовало и светить в космосе было просто некому. Более того, нейтральный водород действовал как плотная светонепроницаемая завеса для определённых волн — в том числе для ультрафиолета, который позже должны были испускать первые светила.
Симуляция Lumina начинает отсчёт примерно через 45 миллионов лет после Большого взрыва, в разгар эпохи нейтрального водорода. Учёные задали стартовые параметры на основе современных представлений о том периоде и запустили расчёт на два миллиарда лет вперёд, чтобы проследить, как гравитация собирает газ и невидимую тёмную материю в первые крупные структуры.
Два удара по космическому туману — водород и гелий
Главным научным достижением Lumina стало одновременное воспроизведение двух глобальных перестроек раннего космоса — реионизации водорода и реионизации гелия. Процесс реионизации происходит, когда высокоэнергетическое излучение срывает электроны с нейтральных атомов, возвращая газ в ионизированное состояние и превращая мутную космическую среду в прозрачную для света.
За расчистку водородного тумана, судя по результатам моделирования, отвечали преимущественно первые звёзды и молодые галактики. По мере роста первых поколений светил их ультрафиолетовое излучение выдувало вокруг галактик светлые пузыри ионизированного водорода, которые постепенно расширялись и открывали ультрафиолету путь на огромные расстояния.
Для выхода из темноты природе потребовались два разных «прожектора», а не одна универсальная кнопка света: оторвать электроны от гелия значительно сложнее, чем от водорода. Симуляция показала, что если водород ионизировали ранние звёзды и галактики, то намного более жёсткое излучение для реионизации гелия поставляли активно поглощающие вещество сверхмассивные чёрные дыры. До Lumina ни одна компьютерная модель не охватывала оба этих процесса вместе.
«Lumina делает всё — от мелкомасштабного формирования звёзд и галактик до крупномасштабной реионизации водорода и гелия в объёме, который в 100 раз превышает лучшие предыдущие симуляции», — подчёркивает соавтор исследования, профессор физики MIT Марк Фогельсбергер.
Полтриллиона элементов на мощностях суперкомпьютера Frontier
Технической базой для проекта послужила более ранняя симуляция IllustrisTNG, созданная учёными из MIT и других институтов для моделирования эволюции галактик от Большого взрыва до наших дней. Чтобы превратить её в Lumina, разработчики модернизировали программный код: сохранили высокую детализацию рождения галактик на куда большей площади и встроили модель переноса излучения, которая отслеживает путь фотонов — включая ультрафиолет — и их взаимодействие с окружающим газом.
Масштаб виртуальной Вселенной потребовал около полутриллиона отдельных элементов — частиц тёмной материи и газовых ячеек — в области шириной 500 мегапарсек, или примерно 1,6 миллиарда световых лет. При стократном росте объёма по сравнению с прошлыми ведущими проектами разрешение новой симуляции оказалось примерно в 30 раз выше, чем у базовой IllustrisTNG.
Просчитать взаимодействие полутриллиона элементов на протяжении двух миллиардов лет удалось только на одном из самых мощных суперкомпьютеров мира — Frontier в Окриджской национальной лаборатории в штате Теннесси. На пике расчётов задача объединяла эквивалент более чем 100 тысяч процессорных ядер и около 15 тысяч графических процессоров. Как отметил соавтор работы из MIT Сюэцзянь (Джейкоб) Шэнь, заставить такое число процессоров эффективно обмениваться данными при непрерывном обновлении триллионов фрагментов информации само по себе стало выдающимся достижением компьютерной инженерии.
От одной дисковой галактики до полутора миллиардов световых лет
Рекордный диапазон масштабов стал главной отличительной чертой новой виртуальной Вселенной. По словам участника исследовательской группы по фамилии Цир (Zier), модель позволяет наблюдать всю цепочку событий целиком: сначала тёмная материя и газ сбиваются в плотные сгустки, затем газ падает в гало тёмной материи, внутри них возникают первые галактики и звёзды, а рождённое ими излучение уходит в межгалактическое пространство и в конце концов ионизирует нейтральный водород.
Чтобы наглядно показать этот перепад масштабов, команда выложила на сайте проекта два видеоролика. Первый представляет собой плавное приближение от всей смоделированной области космоса до отдельно взятой дисковой галактики, а второй в ускоренной съёмке показывает, как реионизация водорода распространяется по всему объёму пространства за два миллиарда лет. Ни одна другая модель, по словам Фогельсбергера, не позволяет настолько глубоко приблизить картинку, не теряя общего плана.
Проверка телескопами и границы компьютерного мира
Разработчики уже открыли доступ к Lumina другим учёным, превратив виртуальный космос в общий исследовательский инструмент. Авторы планируют изучить с помощью симуляции крупномасштабное распределение материи в ранней Вселенной, а также рассчитать, какие картины гравитационных волн могли порождать древние галактики и чёрные дыры.
При всей своей сложности Lumina остаётся компьютерной реконструкцией, чья точность зависит от заложенных начальных условий и физических моделей, поэтому её выводы нуждаются в проверке реальными данными. Именно здесь гигантский размер симуляции даёт решающее преимущество: она генерирует обширные популяции виртуальных галактик, пригодные для прямого сопоставления с крупными выборками из обзоров действующих и будущих телескопов. Как отмечает Шэнь, такое сравнение позволит учёным по-новому проверить свои представления о самых ранних главах истории космоса.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Вопросы и ответы
Что такое космические тёмные века и когда они закончились?
Космические тёмные века наступили примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда электроны соединились с атомными ядрами и заполнили пространство нейтральным водородом. Звёзд тогда ещё не было, а плотный газ поглощал ультрафиолет; эпоха завершилась, когда излучение первых светил, галактик и чёрных дыр постепенно ионизировало газ.
В чём разница между реионизацией водорода и реионизацией гелия?
Для реионизации водорода требовалось меньше энергии, поэтому по данным симуляции Lumina её обеспечили преимущественно первые звёзды и молодые галактики своим ультрафиолетовым излучением. Выбить электроны из атомов гелия гораздо труднее — этот процесс запустило более мощное излучение от активно питающихся сверхмассивных чёрных дыр.
Чем симуляция Lumina превосходит предыдущие модели ранней Вселенной?
Lumina построена на базе модели IllustrisTNG, но охватывает область шириной около 1,6 миллиарда световых лет (в 100 раз больше по объёму, чем прошлые ведущие симуляции) с разрешением примерно в 30 раз выше базовой версии. Кроме того, это первая модель, которая одновременно воспроизводит формирование галактик, реионизацию водорода и реионизацию гелия.
Как астрономы будут проверять результаты симуляции Lumina?
Создатели открыли доступ к симуляции для других исследовательских групп, чтобы сравнивать сгенерированные в ней крупные популяции ранних галактик с данными действующих и будущих телескопов. Также модель используют для оценки крупномасштабного распределения вещества и предсказания гравитационных волн от древних галактик и чёрных дыр.