Коротко:
- Lumina — симуляція перших 2 мільярдів років Всесвіту, від епохи «темних віків» до повної іонізації водню й гелію.
- Розрахунок ішов на суперкомп’ютері Frontier: на піку — понад 100 тисяч процесорних ядер і близько 15 тисяч графічних процесорів.
- Команда виклала відео на офіційному YouTube-каналі проєкту — від космічної павутини до окремої галактики.
Фізики з MIT, Гарварду та ще кількох університетів показали на відео, як Всесвіт виходив із темряви після Великого вибуху. Симуляція Lumina вперше в одній моделі відтворила дві хвилі «просвітлення» — водневу й гелієву — і саме цей результат науковці збираються звіряти з тим, що зараз бачать телескопи «Джеймс Вебб» і «Ненсі Грейс Роман».
Про роботу розповіли MIT News і сайт проєкту Lumina. Статтю опубліковано в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, перший автор — Олівер Ціер, колишній постдок лабораторії професора MIT Марка Фогельсбергера. У команді також Ларс Ернквіст із Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики та Фолькер Шпрингель з Інституту астрофізики Макса Планка.
Що на кадрах
Найефектніше відео — політ крізь масивне гало темної матерії. Камера рухається так, ніби пірнає в хмару з диму й світла:
- Перші секунди — велика картина: тонкі нитки й вузли космічної павутини, між ними темні порожнечі.
- Наближення — нитки товщають, кадр стає щільнішим, кольори змінюються залежно від того, що саме показано: густину темної матерії, густину газу, його температуру чи вміст важких елементів.
- Центр гало — у найщільнішій частині з туману проступають окремі галактики, а наприкінці на кадр накладається світло зір.
- Момент часу — це Всесвіт червоне зміщення z=3, тобто кінець модельованого періоду — трохи більше ніж 2 мільярди років після Великого вибуху.
Друге відео на каналі Lumina Simulation працює навпаки: починається з великомасштабної структури і зупиняється на одній дископодібній галактиці. На сайті проєкту є й таймлапс на 2 мільярди років, де видно, як водень поступово іонізується.
Навіщо рахувати 2 мільярди років
Після Великого вибуху Всесвіт охолонув, електрони з’єдналися з ядрами водню й гелію, і настала епоха без зір — «темні віки». Потім з’явилися перші зорі та галактики. Їхнє ультрафіолетове світло вибивало електрони з атомів водню — це називають реіонізацією. Гелій «упирався» довше: щоб відірвати другий електрон, знадобилося жорсткіше випромінювання активних надмасивних чорних дір.
Lumina показує, що ці процеси йшли нерівно. На кадрах реіонізації водню світлі «бульбашки» навколо галактик сусідять із темними, ще нейтральними ділянками. Для гелію бульбашки більші — бо джерел менше, а фотони енергійніші.
Масштаб у цифрах
| Параметр | Lumina |
|---|---|
| Розмір модельованого куба | близько 500 мегапарсеків, або приблизно 1,6 млрд світлових років |
| Порівняно з попередниками | приблизно у 100 разів більший об’єм |
| Кількість елементів | близько пів трильйона частинок темної матерії та комірок газу |
| Період | від ~45 млн років після Великого вибуху до перших 2 млрд років |
| Суперкомп’ютер | Frontier, Окриджська національна лабораторія (Теннессі, США) |
| Пікове навантаження | еквівалент понад 100 тис. ядер CPU і ~15 тис. GPU |
Основою стала відома модель IllustrisTNG: Lumina має приблизно в 30 разів вищу роздільність і додає перенесення випромінювання. Фогельсбергер пояснює, що різниця між найменшим і найбільшим масштабом у моделі більша, ніж у будь-якій іншій симуляції.
Що далі
Команда обіцяє відкрити дані Lumina для інших науковців. Головне завдання — пояснити, чому «Вебб» бачить у ранньому Всесвіті більше яскравих галактик і великих чорних дір, ніж передбачали теорії. Телескоп «Роман», який оглядатиме великі ділянки неба, дасть вибірки рідкісних об’єктів — їх порівнюватимуть із моделлю. Про те, як «Роман» готують до роботи, ми писали в матеріалі про фокусування телескопа, а ще одна історія з космічними кадрами — сім знімків посадки Philae на комету.
Фото / відео: кадри симуляції Lumina. Автор — Lumina collaboration, lumina-simulation.com; відео — офіційний канал Lumina Simulation на YouTube.