Симуляция Lumina впервые показала, как первые звезды и черные дыры вывели Вселенную из темных веков

Ученые из MIT, Гарвардского университета и их коллеги создали компьютерную симуляцию Lumina, которая впервые в таких масштабах и с такой детализацией воспроизводит выход Вселенной из «темных веков» — эпоху, когда свет не мог свободно распространяться. Исследование показало, как первые галактики и звезды запустили процесс ионизации водорода, а ранние сверхмассивные черные дыры — ионизацию гелия, что впервые удалось смоделировать одновременно. Работа опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

Сразу после Большого взрыва Вселенная была раскаленным и плотным «супом» из элементарных частиц. Когда она расширилась и остыла, частицы соединились в нейтральный водород, который окутал космос плотной пеленой и на сотни миллионов лет погрузил его в темноту. Этот период астрономы называют «темными веками». Выйти из них Вселенной помогли первые звезды и галактики: их свет постепенно «прожигал» водородную дымку, возвращая космосу прозрачность. Именно этот момент пробуждения и воссоздала новая симуляция Lumina.

Название проекта переводится с латыни как «огни». В основе Lumina лежит более ранняя модель IllustrisTNG, которую команда доработала так, чтобы отслеживать формирование галактик с прежней точностью, но на гораздо большей площади. Симуляция охватывает область размером около 1,6 миллиарда световых лет — это в сто раз больше по объему, чем у лучших предыдущих моделей. Внутри этого пространства одновременно движутся полтриллиона элементов. Разрешение выросло примерно в тридцать раз по сравнению с предшественницей.

Lumina начинает свой отсчет примерно через 45 миллионов лет после Большого взрыва, когда нейтральный водород безраздельно властвовал в молодой Вселенной. Затем модель шаг за шагом прослеживает два миллиарда лет космической истории. Сначала темная материя и газ начинают собираться в сгустки, газ оседает в невидимые гало темной материи, внутри них рождаются первые галактики, а в них зажигаются первые звезды. Свет этих звезд отправляется в долгий путь сквозь пространство, и симуляция показывает, как он постепенно ионизирует водород, снимая с Вселенной ее непрозрачный покров.

Одновременно Lumina впервые подробно воспроизводит и второй важный переход — ионизацию гелия. Для нее нужны гораздо более энергичные лучи, и, как выяснилось, их источником служили не звезды, а ранние сверхмассивные черные дыры, активно поглощающие вещество. Так в одной модели сошлись оба ключевых процесса, которые до сих пор изучали по отдельности.

Чтобы провернуть все эти расчеты, команда задействовала суперкомпьютер Frontier, один из самых мощных в мире, расположенный в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси. В пиковые моменты работы объединялись мощности, эквивалентные более чем ста тысячам процессорных ядер и примерно пятнадцати тысячам графических ускорителей.

Согласованная работа такой огромной вычислительной машины, непрерывно пересчитывающей триллионы взаимодействующих частиц, сама по себе инженерный подвиг. На сайте проекта авторы выложили видео: можно наблюдать, как камера стремительно приближается от всей гигантской области к отдельной спиральной галактике, а также ускоренную съемку двух миллиардов лет, где по пространству расползается узор ионизированного водорода.

Главное преимущество Lumina — ее размах. Модель позволяет не только заглянуть в прошлое, но и предсказать, что именно увидят новые телескопы. Она выдает огромные популяции смоделированных галактик, которые можно будет напрямую сопоставить с реальными снимками будущих обзоров неба. Кроме того, симуляция может подсказать, какие гравитационные волны порождали первые галактики и черные дыры. Все данные открыты для научного сообщества, так что астрономы смогут сверить свои наблюдения с этой виртуальной Вселенной и постепенно собрать воедино историю того, как космос выбрался из тьмы.

В итоге Lumina впервые объединила в одной модели и ионизацию водорода светом первых звезд и галактик, и ионизацию гелия излучением ранних сверхмассивных черных дыр, причем в объеме в сто раз большей, чем у прежних симуляций, и с гораздо более высоким разрешением. Это дает ученым рабочий инструмент для сравнения с наблюдениями новых телескопов и для понимания того, как именно юная Вселенная вышла из темных веков.