Науковці створили одну з найбільших космологічних симуляцій раннього Всесвіту. Модель Lumina відтворює еволюцію звичайної речовини, темної матерії та випромінювання протягом перших двох мільярдів років після Великого вибуху. Вона допоможе порівнювати теоретичні розрахунки зі спостереженнями телескопа James Webb і майбутніми даними космічної обсерваторії Nancy Grace Roman.
Проєкт розробили дослідники з Центру астрофізики Harvard & Smithsonian спільно з колегами з інших наукових установ. Симуляція охоплює область простору завширшки близько 1,6 мільярда світлових років. За обсягом вона більш ніж у 100 разів перевищує попередні зіставні моделі.
Як формувалися перші галактики
Lumina моделює взаємодію газу, темної матерії та випромінювання, даючи змогу простежити, як речовина збиралася в щільні структури, з яких формувалися перші зорі та галактики. Модель також враховує вплив випромінювання на навколишній міжгалактичний газ.
Особливу увагу дослідники приділили реіонізації — процесу, під час якого випромінювання перших зір, галактик і активних надмасивних чорних дір змінювало стан газу в молодому Всесвіті. Під дією достатньо енергійного випромінювання атоми втрачали електрони, а газ поступово переходив в іонізований стан.
Симуляція дає змогу досліджувати два важливі етапи цього процесу: реіонізацію водню та пізнішу реіонізацію гелію. Модель дозволяє простежити обидва процеси у великому об'ємі простору, одночасно враховуючи вплив іонізації на подальшу еволюцію газу.
Суперкомп'ютер для моделювання космосу
Для розрахунків науковці використали суперкомп'ютер Frontier у Національній лабораторії Оук-Ридж у США. До роботи залучили понад 15 000 графічних процесорів. Симуляція містить майже пів трильйона елементів розрахункової сітки, що дає змогу досліджувати великомасштабну структуру Всесвіту й водночас зберігати деталізацію, необхідну для вивчення окремих галактик.
Такі моделі важливі для інтерпретації астрономічних спостережень. Телескоп James Webb виявляє галактики, що існували на ранніх етапах історії Всесвіту, однак самі зображення не завжди дають змогу однозначно відновити умови їхнього формування. Порівняння спостережень із прогнозами Lumina допоможе перевірити наявні уявлення про еволюцію галактик і міжгалактичного середовища.
Надалі дослідники планують використовувати симуляцію для вивчення руху газу між галактиками, джерел випромінювання в ранньому Всесвіті та умов, за яких виникали області інтенсивного зореутворення. Дані моделі також можуть допомогти інтерпретувати майбутні спостереження Nancy Grace Roman та інших телескопів.
Результати проєкту опубліковано в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society у статті «Introducing the Lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization».
