Астрофизики Гарварда и Смитсоновского института создали Lumina — симуляцию ранней Вселенной, охватывающую первые два миллиарда лет ее истории. Модель воспроизводит взаимодействие обычной материи, темной материи и излучения. С ее помощью исследователи изучают возникновение первых галактик и изменения среды между ними, а также сопоставляют представления о развитии космоса с наблюдениями телескопа «Джеймс Уэбб».
Модель охватывает более чем в 100 раз больший объем пространства
Главное отличие Lumina от предыдущих сопоставимых моделей — масштаб. Симуляция охватывает более чем в 100 раз больший объем пространства. Это позволяет исследователям рассматривать крупномасштабную структуру космоса и процессы внутри отдельных галактик в рамках одной модели.
Для создания Lumina ученые использовали более 15 тысяч графических процессоров. Они работали на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж в США. Такой вычислительный ресурс позволил смоделировать взаимодействие трех компонентов: обычной материи, темной материи и излучения.
Расчеты охватывают первые два миллиарда лет космической истории. В этот период, согласно модели, можно проследить, как формировались первые галактики и как менялась среда между ними. Симуляция дает исследователям возможность изучать эти процессы не по отдельности, а в общей картине ранней Вселенной.
Lumina позволяет изучать изменения водорода и гелия
С помощью модели ученые проследили, как под воздействием излучения менялось состояние водорода и гелия. Эти результаты помогают исследовать связь между излучением и изменениями вещества в ранней Вселенной. Модель также охватывает процессы внутри галактик и структуру космоса на больших масштабах.
Наблюдения телескопа «Джеймс Уэбб» исследователи могут использовать для проверки представлений о развитии космоса, которые отражает симуляция. Lumina позволяет сопоставлять расчетную картину ранней Вселенной с данными наблюдений. В исходном описании модели не приводятся конкретные результаты такого сравнения, однако возможность проводить его названа одним из применений симуляции.
Масштаб модели важен для изучения того, как отдельные галактики связаны с окружающей их средой. Lumina охватывает пространство, более чем в 100 раз превышающее объем предыдущих сопоставимых симуляций, и одновременно позволяет исследовать процессы внутри галактик. Поэтому ученые могут рассматривать разные уровни космической структуры в рамках одного расчета.
Исследователи планируют изучать газ и звездообразование
В дальнейшем ученые рассчитывают применять Lumina для изучения движения газа между галактиками. Еще одно направление — влияние излучения на эволюцию космоса. Эти задачи связаны с процессами, которые модель уже позволяет рассматривать: взаимодействием материи и излучения в ранней Вселенной.
Исследователи также планируют изучать формирование областей интенсивного звездообразования. Вместе эти направления задают дальнейшую работу с симуляцией: от движения газа между галактиками до процессов внутри них. Lumina создана для изучения первых двух миллиардов лет космической истории, а наблюдения «Джеймса Уэбба» дают возможность проверять с ее помощью представления о развитии ранней Вселенной.