Компьютерное моделирование Вселенной – Illustris

Международная группа ученых разработала компьютерную модель Вселенной, имитирующую эволюцию материи с ранней эпохи и до настоящего времени.

Согласно установившейся концепции, наша Вселенная на 95% состоит из темной энергии и темной материи. Моделирование динамики оставшихся 5%, которые относят к обычной – барионной материи (преимущественно состоящей из протонов, нейтронов и электронов), оказалось сложной задачей.

Еженедельник Nature опубликовал результаты численного моделирования образования космических структур, отражающие как крупномасштабное распределение барионной материи, так и изменение с течением времени его свойств в конкретных галактических системах. 

Отслеживание эволюции барионной материи – задача сложная: явления в широком диапазоне физических масштабов вовлечены в процесс формирования галактик и более крупных структур Вселенной. Чтобы охватить репрезентативную часть Вселенной, космологи должны были описать объемы по крайней мере в 100 млн парсек (326 млн световых лет) в поперечнике. Естественный масштаб звездообразования составляет примерно 1 парсек, а процесс аккреции вещества на черную дыру происходит даже в меньших масштабах. Численное моделирование давно используется для решения данных задач. Однако до сих пор даже на самых мощных суперкомпьютерах было невозможно запустить достаточно большую симуляцию, чтобы смоделировать крупномасштабное распределение газа, звезд и темной материи, сохранив необходимый уровень детализации для адекватного отражения отдельных галактик.

Получившая название Illustris модель содержит более 10 млрд отдельных ячеек, отражающих газ в моделируемых объемах, что приблизительно на порядок больше, чем имели ее предшественницы. Симуляция начинается с момента в 12 млн лет после Большого взрыва и развивается до текущей эпохи. В своем программном коде исследователи использовали новый метод для решения уравнений, описывающих эволюцию барионной материи в космических структурах. В своей модели ученые охватили широкий круг физических явлений, в числе которых охлаждение газа, эволюция звезд, приток энергии от взрывов сверхновых, производство химических элементов, аккреция вещества на сверхмассивные черные дыры. В совокупности эти явления, нелинейно влияя друг на друга, вели эволюцию наблюдаемой нами Вселенной.  

Прогон симуляции занял приблизительно 16 млн часов процессорного времени – это около двух тысяч лет работы одного персонального компьютера. Конечный результат модели поразительно схож с наблюдаемой Вселенной . Результаты имитационного наблюдения сверхглубокого космоса в Illustris с легкостью можно спутать со снимком реальной Вселенной, полученным в рамках сверхглубокого обзора «Хаббла» (Hubble Ultra Deep Field). Изображения зародившихся в виртуальной Вселенной галактик удивительно реалистичны, ранее это было возможно лишь при моделировании отдельных галактик. Речь не просто о визуальном сходстве, широкий спектр количественных показателей согласуется с наблюдениями реальной Вселенной.

Однако Illustris не означает конец совершенствования космологических моделей образования галактик. Вычислительный объем модели все еще недостаточно велик для моделирования редких космологических объектов, в том числе черных дыр ранней Вселенной. Уровень ее детализации недостаточен для исследования самых тусклых галактик, как те, что окружают Млечный путь. Звездообразование в маломассивных галактиках в Illustris происходит раньше и быстрее, чем в реальной Вселенной. Все это еще требует решения. Все еще далекая мечта – возможность достичь масштабов, необходимых для прямого моделирования образования звезд в симуляции, охватывающей тысячи галактик, подобных Млечному пути.