Чтобы разгадать тайны Вселенной, на суперкомпьютере запустили виртуальную Вселенную

Ученые построили виртуальную Вселенную на суперкомпьютере — крупнейшую ее симуляцию на сегодняшний день с древнейших времен до наших дней. Она подтвердила, что Стандартная модель космологии успешно объясняет наблюдаемый рост галактик, который казался слишком быстрым.

Международный проект COLIBRE стал результатом 10-летней напряженной работы исследователей из разных учреждений. Статья о нем была опубликована в журнале Monthly Notifications of the Royal Astronomical Society.

В отличие от более ранних моделей моделирования, «виртуальные вселенные» COLIBRE моделируют холодный газ и космическую пыль внутри галактик. Принимая во внимание эти компоненты и значительную вычислительную мощность, моделирование успешно воспроизводит реальные галактики – как в современной Вселенной, так и в ранней Вселенной, как видно с помощью телескопа Джеймса Уэбба (JWST).

Для упрощения моделирования температура газа в предыдущих моделях была искусственно ограничена снизу примерно до 5500 °C. Но звезды рождаются именно в холодном газе. Кроме того, COLIBRE моделирует космическую пыль в гигантском объеме в 400 смпк, сравнимом по масштабу с крупнейшими обзорами неба.

Быстрое развитие алгоритмов и суперкомпьютеров позволило включить в виртуальную Вселенную в 20 раз больше вычислительных элементов, что довело ее детализацию до 136 «мегапикселей».

"Некоторые ранние результаты JWST, казалось, противоречили Стандартной модели космологии. COLIBRE показывает, что если ключевые физические процессы описываются более реалистично, модель согласуется с тем, что мы видим", - говорит Евгений Чайкин из Лейденского университета, ведущий автор нескольких сопутствующих статей по COLIBRE и соавтор основного исследования.

Однако еще не все объяснено. Например, COLIBRE не предсказывает «маленькие красные точки», которые могли бы быть семенами сверхмассивных черных дыр, потому что они уже встроены в модель. Чтобы смоделировать их развитие, нам нужно еще больше увеличить разрешение.

Моделирование проводилось на суперкомпьютере COSMA8 в Институте вычислительной космологии Даремского университета с использованием кода SWIFT. Самая крупная симуляция потребовала 72 миллиона часов процессорного времени.

«Мы берем и просто решаем физические уравнения расширяющейся Вселенной — и в конце получаем ее подробный виртуальный аналог», — говорит профессор Карлос Френк из Даремского университета.

На анализ уже полученных данных потребуются годы. Большинство симуляций было завершено в 2025 году, а некоторые из симуляций с самым высоким разрешением все еще выполняются и, как ожидается, завершатся осенью.

Результаты моделирования также доступны в формате интерактивных карт, а также озвученных видеороликов. Причем звуковая дорожка не просто добавлена, чтобы было не скучно смотреть, а несет дополнительную физическую информацию.

"Мы довольны не только научными результатами, но и растущим разнообразием способов их изучения. Эти инструменты дают новое понимание, делают нашу область более доступной и помогают нам буквально почувствовать, как галактики растут и развиваются", - сказал Джеймс Трейфорд из Университета Портсмута, который руководил разработкой модели пыли COLIBRE и оценкой визуализаций.