Учёные создали компьютерную симуляцию Lumina, которая воспроизводит развитие ранней Вселенной — периода, когда после космической тьмы начали появляться первые звёзды и галактики. Модель разработали исследователи Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и других научных организаций. Она охватывает область пространства шириной около 1,6 млрд световых лет и отслеживает события в течение двух миллиардов лет, включая формирование галактик и распространение излучения.
Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, о работе также сообщило издание ScienceDaily. Симуляция начинается примерно через 45 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенная в основном состояла из нейтрального водорода, поглощавшего часть излучения. Учёные наблюдают, как из взаимодействия тёмной материи и газа постепенно возникают первые галактики, звёзды и источники света.
Одной из главных особенностей Lumina стало одновременное моделирование повторной ионизации водорода и гелия, то есть отделения электронов от атомов под воздействием излучения. Ионизацию водорода в основном обеспечивали первые звёзды и галактики, испускавшие ультрафиолетовый свет. Для ионизации гелия требовалось более мощное излучение, источником которого, как показала модель, были активно поглощавшие вещество сверхмассивные чёрные дыры.
Симуляция включает около 500 млрд элементов, среди которых частицы тёмной материи и ячейки с газом. По разрешению она примерно в 30 раз превосходит предыдущую модель IllustrisTNG, а объём охватываемого пространства в 100 раз больше, чем у лучших ранее созданных симуляций. Для расчётов использовали суперкомпьютер Frontier в Национальной лаборатории Оук-Ридж, задействовавший свыше 100 тыс. вычислительных ядер и около 15 тыс. графических процессоров.
Lumina позволяет рассматривать происходящее в широком диапазоне масштабов — от структуры Вселенной в целом до формирования отдельной галактики. Исследователи могут проследить, как излучение первых звёзд распространяется сквозь космос и постепенно ионизирует нейтральный водород, делая Вселенную более прозрачной для ультрафиолетового света. На сайте проекта опубликованы видеоматериалы, показывающие развитие этих процессов и распространение ионизации на протяжении двух миллиардов лет.
Учёные планируют сопоставлять результаты Lumina с данными действующих и будущих телескопов, которые будут наблюдать большое число далёких галактик. Это поможет проверить представления о формировании первых звёзд и галактик, а также изучить распределение материи и возможные сигналы гравитационных волн от древних галактик и чёрных дыр. Доступ к симуляции предоставят другим исследователям для дальнейшего анализа и сравнения с астрономическими наблюдениями.