Астрофизици от Харвард-Смитсониън център по астрофизика и Масачузетския технологичен институт (MIT) разработиха една от най-мащабните симулации на Вселената, наречена „Lumina”, използвайки суперкомпютъра Frontier. Целта на изследователите е да надникнат в най-ранните епохи на космоса.
Новият компютърен модел изчислява в най-големи подробности поведението на газа, тъмната материя и светлината през първите 2 милиарда години след Големия взрив – епохата, в която са се запалили първите звезди и са се оформили най-старите галактики. Резултатите са публикувани в престижното научно издание „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”.
Този космологичен модел е създаден, за да анализира наблюдения от космическите телескопи „Джеймс Уеб” и „Нанси Грейс Роман”. Докато обсерваториите улавят светлина от най-древните небесни обекти, Lumina превръща космологичните теории в детайлни прогнози.
Чрез сравняване на реални изображения с изчисленията на суперкомпютъра учените могат да определят доколко точно съвременните ни физични закони описват формирането на първите звезди, галактики и черни дупки.
Lumina е най-голямата радиационно-хидродинамична симулация на ранната Вселена. Тя обхваща кубичен обем от пространството със страна 500 мегапарсека (приблизително 1,6 милиарда светлинни години) – обем, който е над 100 пъти по-голям от този на предишни сравними модели.
Програмата проследява динамиката на половин трилион елемента – включващи както частици тъмна материя, така и газови клетки – постигайки разделителна способност, която е 30 пъти по-висока от тази на основополагащия проект IllustrisTNG.
Изчисленията започват 45 милиона години след Големия взрив – по време на космическите „Тъмни векове”, когато пространството е било изпълнено с неутрален водород, който е поглъщал светлината. Чрез интегриране на газодинамичния код AREPO с алгоритми за пренос на лъчение, проектът Lumina за първи път симулира едновременно два глобални прехода: реионизацията на водорода и реионизацията на хелия, като същевременно отчита тяхното въздействие върху междугалактическата среда.
Изчисленията показват, че реионизацията на водорода е предизвикана от ултравиолетово лъчение, идващо от първите звезди и галактики; това лъчение е откъсвало електрони от газовите атоми и е направило Космоса прозрачен за светлината.
Реионизацията на хелия, от друга страна, е резултат от лъчение с по-висока енергия, произтичащо от активни свръхмасивни черни дупки.
За изпълнението на този нов модел екип от учени, ръководен от Оливър Зир и Марк Фогелсбергер, използва суперкомпютъра Frontier в Националната лаборатория „Оук Ридж” (САЩ). В пиковия момент на изчисленията системата е задействала над 15 000 графични процесора (GPU) и повече от 100 000 ядра на централни процесори (CPU). В проучването участват също изследователи от Университета на Тексас в Далас, Йоркския университет и Института за астрофизика „Макс Планк”.
Данните по проекта са публично достъпни за научната общност и ще подпомогнат изследването на мащабната структура на Вселената, както и търсенето на гравитационни вълни.
