Подавляющая часть того, что мы видим в научных публикациях под названиями «экзопланета», «туманность» или «галактика», — это результат моделирования и интерпретации, а не прямое фотографическое изображение. Внешний вид космических объектов рождается на суперкомпьютерах, где физические уравнения превращаются в пиксели. Именно поэтому создание новых, более точных моделей — особенно для эпох ранней Вселенной, для наблюдения которых у современной астрономии практически нет прямых инструментов — остаётся одной из ключевых задач теоретической космологии. В этом контексте работа учёных из Массачусетского технологического института (MIT) и их коллег из других организаций приобретает особое значение: представленная ими симуляция Lumina воспроизводит первые два миллиарда лет эволюции Вселенной с беспрецедентным для данного класса задач разрешением и объёмом.

Что такое Lumina и зачем она нужна

Lumina — это масштабная компьютерная симуляция, призванная проследить, как из первоначальных неоднородностей распределения вещества формировались первые звёзды и галактики, а также как менялось состояние межгалактического газа под воздействием излучения. Проект направлен на изучение процессов, которые вывели Вселенную из так называемой эпохи космических «тёмных веков». По мере формирования первых звёзд реликтовое излучение, ранее служившее основным источником информации о ранней Вселенной, сместилось в микроволновый диапазон и потеряло энергию, перестав играть роль «фонарика» для наблюдателей. Lumina позволяет заполнить этот информационный пробел, моделируя переход от тёмной эпохи к эпохе первых светил.

Вычислительные масштабы: 100 000 ядер и 15 000 GPU

Расчёты выполнялись на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) в США. На пике нагрузки вычисления задействовали более 100 000 процессорных ядер и около 15 000 графических процессоров. Симуляция охватила кубический участок пространства с длиной стороны примерно 1,63 млрд световых лет. Модель включает около 432 млрд элементов, представляющих тёмную материю и газ. По данным авторов, масштаб моделируемого объёма примерно в 100 раз превышает показатели предыдущих симуляций, предназначенных для сопоставимых исследований. Визуализация космической паутины, опубликованная в рамках проекта, демонстрирует структуру на участке шириной 650 млн световых лет.

Физика ранней Вселенной в единой модели

В основе Lumina лежит усовершенствованный программный комплекс IllustrisTNG, дополненный модулем моделирования переноса излучения. Это позволяет одновременно рассчитывать гравитационное формирование крупномасштабных структур, движение вещества, образование звёзд и ионизацию межгалактической среды. Особое внимание в модели уделено двум ключевым этапам космической истории: повторной ионизации водорода под воздействием излучения молодых звёзд и галактик, а также последующей ионизации гелия, для которой существенную роль играли активные сверхмассивные чёрные дыры. Авторы подчёркивают, что Lumina позволяет изучать эти процессы в единой модели, охватывающей как крупномасштабную структуру Вселенной, так и отдельные формирующиеся галактики.

Связь с наблюдениями: «Джеймс Уэбб» и «Роман»

Полученные результаты симуляции можно сопоставлять с данными космического телескопа «Джеймс Уэбб» и будущего телескопа «Роман», что позволит проверять модели раннего звездообразования и эволюции галактик на наблюдательных данных. Такой подход превращает Lumina из абстрактного вычислительного эксперимента в инструмент, непосредственно связанный с текущей и перспективной астрономической обсерваторной программой.

Ограничения и открытый доступ

Важно понимать, что симуляцию нельзя назвать прямой реконструкцией прошлого: она рассчитывает вероятную эволюцию космических структур на основе физических моделей и заданных начальных условий. Тем не менее авторы отмечают, что модель будет полностью открыта для научного сообщества — это ожидается с 2028 года, что позволит исследователям по всему миру использовать Lumina для проверки собственных гипотез и уточнения параметров ранней Вселенной.