Создана самая подробная симуляция первых 2 млрд лет существования Вселенной 

Фото из открытых источников

Команда из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов создала Lumina, одну из крупнейших в мире моделей ранней Вселенной. Она воспроизводит первые 2 миллиарда лет космической истории и будет использоваться для проверки того, соответствуют ли данные, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, известным нам законам физики.

Когда космический телескоп Джеймса Уэбба начал фотографировать галактики из самых ранних глав Вселенной, астрономы столкнулись с проблемой. Очень ярких галактик оказалось больше, чем предсказывали их модели, а некоторые выглядели слишком массивными для столь молодого космоса.

Часть этой загадки с тех пор угасла. Некоторые из этих объектов оказались гораздо ближе, чем предполагалось изначально, а другие скрывали активную черную дыру, свет которой исказил оценку их массы. Однако лежащее в основе несоответствие никуда не исчезло. Чтобы выяснить, нуждается ли теория в корректировке, исследователям необходимы очень подробные предсказания для сравнения, и именно здесь на помощь приходит Lumina.

Результаты моделирования были опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Руководителем проекта является Оливер Зиер, научный сотрудник Института теории и вычислений Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики. Среди соавторов – Аарон Смит из Техасского университета в Далласе, Фолькер Шпрингель из Института астрофизики им. Макса Планка и Ларс Хернквист из Гарварда.

Согласно пресс-релизу, Lumina — это крупнейшая на сегодняшний день космологическая модель радиационной гидродинамики. Проще говоря, она одновременно воспроизводит движение газа и темной материи (невидимого вещества, составляющего большую часть материи во Вселенной), а также то, как свет, излучаемый звездами и черными дырами, распространяется сквозь них. Каждый из этих трех компонентов влияет на два других. Модель охватывает первые 2 миллиарда лет космической истории, что составляет примерно первые 15% от 13,8 миллиардов лет существования Вселенной.

Астрономы столетиями наблюдали за небом и предлагали модели рождения звёзд и галактик. Сегодня суперкомпьютеры могут превратить эти теории в конкретные предсказания, почти как в кино. Если наблюдения совпадают с тем, что показывает моделирование, уверенность в теории растёт. Если нет, открывается возможность для открытия чего-то нового.

Зиер говорит, что после нескольких лет работы, полных взлетов и падений, наблюдение за тем, как предсказания команды воплощаются в жизнь на видео, принесло глубокое удовлетворение. Lumina также задумана как платформа для изучения будущих вопросов. Команда хочет использовать ее для исследования того, как газ циркулирует между галактиками, как излучение, оставшееся после Большого взрыва, повлияло на космическую эволюцию, и как возникли наиболее интенсивные области звездообразования.

Чтобы увидеть, что на самом деле моделирует Lumina, вернёмся к первым 380 000 годам после Большого взрыва. Тогда Вселенная представляла собой горячий, непрозрачный суп из заряженных частиц. По мере охлаждения образовались нейтральные атомы, в основном водород и гелий, и свет, наконец, получил возможность свободно распространяться. Этот свет до сих пор с нами в виде космического микроволнового фона, слабого послесвечения Большого взрыва. То, что последовало за этим, известно как тёмные века: нет звёзд, нет галактик.

Затем загорелись первые звёзды. Их ультрафиолетовый свет отрывал электроны от окружающих их атомов водорода — процесс, называемый реионизацией, который постепенно превращал нейтральный газ в электрически заряженный. Это произошло не мгновенно, как по щелчку выключателя. Вокруг каждой галактики образовался пузырь ионизированного газа, который рос и в конце концов слился со своими соседями. Последними изменения коснулись самых пустых, самых изолированных областей.

Гелий, второй по распространенности элемент, имеет свою собственную историю. Для его полной ионизации требуется гораздо больше энергии света, чем могут обеспечить звезды. Этот свет исходит в основном от квазаров — гигантских черных дыр, которые вспыхивают, поглощая материю. Квазары встречаются редко и потребовалось больше времени, чтобы стать доминирующими, поэтому реионизация гелия произошла позже, чем реионизация водорода. Lumina — одна из немногих программ для моделирования, способных отслеживать оба процесса одновременно.

Первое отличие — размер. Lumina воссоздает куб диаметром около 500 мегапарсеков, что составляет примерно 1,6 миллиарда световых лет, и это сопоставимо с масштабом, который могут охватить самые мощные современные телескопы. В пресс-релизе говорится, что он охватывает более чем в 100 раз больший объем, чем сопоставимые более ранние модели. В статье это наглядно демонстрируется на примере проекта Thesan , на котором основана Lumina: его куб был примерно в пять раз короче с каждой стороны, что составляет примерно в 144 раза меньший объем.

Такой большой объем — это не роскошь. Изучение небольшого участка, чтобы понять, как произошла реионизация всей Вселенной, немного похоже на опрос ста человек для прогнозирования результатов национальных выборов, потому что выборка может оказаться необычной по чистой случайности. Астрономы называют этот эффект космической дисперсией. Это еще важнее для гелия, поскольку квазары, которые его реионизируют, настолько редки, что в небольшой коробке его практически не остается.

Второе отличие заключается в самом гелии. Согласно пресс-релизу, Lumina — это первая модель, которая фиксирует реионизацию гелия в момент её возникновения и позволяет её эффектам напрямую влиять на остальную часть модели. В статье добавляется, что все предыдущие модели, рассчитывавшие излучение в режиме реального времени, останавливались до того, как в игру вступал гелий. Смит подчеркивает, что впервые исследователи могут наблюдать за тем, как водород и гелий приобретают свою современную форму в таком огромном объеме, не упуская из виду галактики, которые являются движущей силой этих изменений.

Есть и третье, более тонкое нововведение. Lumina начинает с того, что рассматривает обычную материю и темную материю отдельно, поскольку в молодой Вселенной они двигались не совсем одинаково. Во многих более ранних симуляциях их объединяли в один компонент. Авторы также отмечают, что в модели Thesan содержалась ошибка программирования, до сих пор не обнаруженная, которая, согласно цитируемым ими работам, ускоряла рост черных дыр и слишком рано отключала галактики. Lumina использует исправленную версию этой модели.

Согласно данным Lumina, реионизация водорода произошла поздно. В среднем участке моделирования газ полностью ионизировался примерно через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва, а последние нейтральные островки сохранились немного дольше. Авторы добавляют предостережение. Часть этих поздних островков может быть артефактом вычислительного упрощения, поскольку свет в моделировании распространяется со скоростью, составляющей одну пятую от его реальной скорости, чтобы сэкономить вычислительное время.

Реионизация гелия началась раньше, чем завершилась реионизация водорода. Она достигла своей середины, когда Вселенной было около 1,5 миллиарда лет, и была почти завершена к концу моделирования, через 2 миллиарда лет, с несколькими незавершенными участками. Пузыри гелия получаются гораздо больше, чем водородные, что и следовало ожидать от редких и мощных источников. Области, ионизированные на ранних стадиях эволюции водорода, также, как правило, ионизированы на ранних стадиях эволюции гелия.

Газ между галактиками также сохраняет свой тепловой след. Во время реионизации водорода он нагревался до 10 000–20 000 градусов, затем охлаждался по мере расширения Вселенной и снова нагревался с появлением гелия. Это чередование тепла и холода — предсказание, которое наблюдатели могут проверить, сопоставив его со своими измерениями.

Lumina также воспроизводит количество свободных электронов, которое спутник Planck определяет по космическому микроволновому фону, что является хорошим признаком согласованности общей истории, которую он рассказывает. Однако авторы напоминают читателям, что некоторые повторные анализы данных Planck дают несколько более высокие значения, а исследование 2026 года предлагает гораздо более высокое значение, которое потребовало бы большей ионизации на ранних этапах.

Эта модель также поможет подготовиться к поиску очень слабого радиосигнала, испускаемого нейтральным водородом, который ищут такие эксперименты, как HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) и LOFAR (Low-Frequency Array). Пока что они ничего не обнаружили, только верхние пределы. Чтобы когда-нибудь интерпретировать такой сигнал, исследователям необходимо знать, насколько нагрелся газ до ионизации. В экспериментах с меньшими объемами рентгеновское излучение от двойных звездных систем и от газа, нагретого сверхновыми, повысило эту температуру с нескольких сотен градусов до более чем 2000.

Для создания Lumina потребовалось более 15 000 графических процессоров на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. В 2022 году Frontier стал первой машиной в списке Top500, преодолевшей порог эксаскейла, что означает квинтиллион (миллиард миллиардов) вычислений в секунду. Команда использовала около пятой части этого показателя.

Моделирование охватывает более 400 миллиардов элементов, включая как газовые ячейки, так и частицы темной материи. Это самое масштабное моделирование, когда-либо проводившееся с использованием кода AREPO, разработанного Спрингелем. Спрингель также стоял за моделированием тысячелетия 2005 года, первым, в котором отслеживалось более 10 миллиардов частиц, поэтому Lumina увеличивает эту цифру в десятки раз.

Каждый раз, когда сохраняется полное состояние симуляции, генерируется около 250 терабайт данных, что примерно соответствует объему данных, которые могут храниться на тысяче ноутбуков с жесткими дисками по 256 гигабайт. Данные будут опубликованы в 2028 году, хотя часть из них уже доступна на сайте проекта.

Lumina не просто воспроизводит уже известные данные. В отношении галактик её результаты хорошо согласуются с моделью IllustrisTNG, на которой она основана, и с наблюдениями до определённого момента. Однако с какого-то раннего этапа модель начинает давать сбои. Примерно за миллиард лет до конца моделирования она начинает производить меньше очень массивных галактик, чем наблюдается, и расхождение увеличивается по мере того, как вы заглядываете дальше в прошлое.

Авторы приходят к выводу, что модели формирования галактик, откалиброванные на основе данных о ближайшей Вселенной, недооценивают количество массивных галактик, которые выявляет телескоп Webb.

Что это означает, по-прежнему остается открытым вопросом. В статье перечислены несколько возможных объяснений, но ни одно из них не принято: более эффективное, чем ожидалось, звездообразование, превышающее обычную массу, вспышки звездообразования, завышающие показатели, неопределенность в измеренных массах (которые могут быть занижены) или даже корректировка самой космологической модели.

Lumina пока не может решить, какая именно из этих причин, или какая их комбинация, объясняет то, что видит Уэбб.