Переважна більшість того, що ми бачимо в наукових публікаціях під назвами «екзопланета», «туманність» або «галактика» — це результат моделювання та інтерпретації, а не пряме фотографічне зображення. Зовнішній вигляд космічних об'єктів народжується на суперкомп'ютерах, де фізичні рівняння перетворюються на пікселі. Саме тому створення нових, точніших моделей — особливо для епох раннього Всесвіту, для спостереження за якими сучасна астрономія практично не має прямих інструментів — залишається одним із ключових завдань теоретичної космології. У цьому контексті робота вчених із Массачусетського технологічного інституту (MIT) та їхніх колег з інших організацій набуває особливого значення: представлена ними симуляція Lumina відтворює перші два мільярди років еволюції Всесвіту з безпрецедентною для даного класу завдань роздільною здатністю та об'ємом.

Що таке Lumina і навіщо вона потрібна

Lumina — це масштабне комп'ютерне моделювання, покликане простежити, як з первинних неоднорідностей розподілу речовини формувалися перші зірки та галактики, а також як змінювався стан міжгалактичного газу під впливом випромінювання. Проєкт спрямований на вивчення процесів, які вивели Всесвіт із так званої епохи космічних «темних віків». У міру формування перших зірок реліiktове випромінювання, яке раніше слугувало основним джерелом інформації про ранній Всесвіт, змістилося в мікрохвильовий діапазон і втратило енергію, переставши відігравати роль «ліхтарика» для спостерігачів. Lumina дозволяє заповнити цю інформаційну прогалину, моделюючи перехід від темної епохи до епохи перших світил.

Обчислювальні масштаби: 100 000 ядер та 15 000 GPU

Розрахунки виконувалися на суперкомп'ютері Frontier у Національній лабораторії Ок-Рідж (ORNL) у США. На піку навантаження обчислення задіяли понад 100 000 процесорних ядер та близько 15 000 графічних процесорів. Симуляція охопила кубічну ділянку простору з довжиною сторони приблизно 1,63 млрд світлових років. Модель включає близько 432 млрд елементів, що представляють темну матерію та газ. За даними авторів, масштаб модельованого об'єму приблизно у 100 разів перевищує показники попередніх симуляцій, призначених для порівнянних досліджень. Візуалізація космічної павутини, опублікована в рамках проєкту, демонструє структуру на ділянці завширшки 650 млн світлових років.

Фізика раннього Всесвіту в єдиній моделі

В основі Lumina лежить удосконалений програмний комплекс IllustrisTNG, доповнений модулем моделювання перенесення випромінювання. Це дозволяє одночасно розраховувати гравітаційне формування великомасштабних структур, рух речовини, утворення зірок та іонізацію міжгалактичного середовища. Особливу увагу в моделі приділено двом ключовим етапам космічної історії: повторній іонізації водню під впливом випромінювання молодих зірок і галактик, а також подальшій іонізації гелію, для якої суттєву роль відігравали активні надмасивні чорні діри. Автори наголошують, що Lumina дозволяє вивчати ці процеси в єдиній моделі, що охоплює як великомасштабну структуру Всесвіту, так і окремі галактики, що формуються.

Зв'язок зі спостереженнями: «Джеймс Вебб» та «Роман»

Отримані результати симуляції можна зіставляти з даними космічного телескопа «Джеймс Вебб» та майбутнього телескопа «Роман», що дозволить перевіряти моделі раннього зореутворення та еволюції галактик на спостережних даних. Такий підхід перетворює Lumina з абстрактного обчислювального експерименту на інструмент, безпосередньо пов'язаний із поточною та перспективною астрономічною обсерваторною програмою.

Обмеження та відкритий доступ

Важливо розуміти, що симуляцію не можна назвати прямою реконструкцією минулого: вона розраховує ймовірну еволюцію космічних структур на основі фізичних моделей та заданих початкових умов. Проте автори зазначають, що модель буде повністю відкритою для наукової спільноти — це очікується з 2028 року, що дозволить дослідникам з усього світу використовувати Lumina для перевірки власних гіпотез та уточнення параметрів раннього Всесвіту.