Учёные создали одну из крупнейших космологических симуляций ранней Вселенной. Модель Lumina воспроизводит эволюцию обычного вещества, тёмной материи и излучения на протяжении первых двух миллиардов лет после Большого взрыва. Она поможет сопоставлять теоретические расчёты с наблюдениями телескопа James Webb и будущими данными космической обсерватории Nancy Grace Roman.
Проект разработали исследователи из Центра астрофизики Harvard & Smithsonian совместно с коллегами из других научных учреждений. Симуляция охватывает область пространства протяжённостью около 1,6 миллиарда световых лет с каждой стороны — более чем в 100 раз больший объём, чем у предыдущих сопоставимых моделей.
Как формировались первые галактики
Lumina моделирует взаимодействие газа, тёмной материи и излучения, позволяя проследить, как вещество собиралось в плотные структуры, из которых формировались первые звёзды и галактики. Модель также учитывает воздействие излучения на окружающий межгалактический газ.
Особое внимание исследователи уделили реионизации — процессу, в ходе которого излучение первых звёзд, галактик и активных сверхмассивных чёрных дыр изменяло состояние газа в молодой Вселенной. Под действием достаточно энергичного излучения атомы теряли электроны, и вещество постепенно переходило в ионизированное состояние.
Симуляция позволяет исследовать два важных этапа этого процесса: реионизацию водорода и более позднюю реионизацию гелия. В модели впервые удалось проследить оба процесса в столь большом объёме пространства, одновременно учитывая влияние ионизации на дальнейшую эволюцию газа.
Суперкомпьютер для моделирования космоса
Для выполнения расчётов учёные использовали суперкомпьютер Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж в США. В работе задействовали более 15 000 графических процессоров. Симуляция объединяет почти полтриллиона элементов разрешения, позволяя изучать крупномасштабную структуру Вселенной и при этом сохранять детализацию, необходимую для исследования отдельных галактик.
Такие модели важны для интерпретации наблюдений. Телескоп James Webb обнаруживает галактики, существовавшие на ранних этапах истории Вселенной, но сами изображения не всегда позволяют однозначно восстановить условия их формирования. Сравнение наблюдений с предсказаниями Lumina поможет проверить существующие представления об эволюции галактик и межгалактической среды.
В дальнейшем исследователи планируют использовать симуляцию для изучения движения газа между галактиками, источников излучения в ранней Вселенной и условий, при которых возникали области интенсивного звездообразования. Данные модели также могут помочь подготовить интерпретацию будущих наблюдений Nancy Grace Roman и других телескопов.
Результаты проекта опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в работе «Introducing the Lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization».
