Учёные создали компьютерную модель Lumina, которая позволяет изучать период, когда Вселенная вышла из состояния космической темноты, а первые звёзды и галактики начали менять окружающее пространство. Проект разработали исследователи Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и других организаций. Модель воспроизводит развитие Вселенной на протяжении двух миллиардов лет в области размером около 1,6 млрд световых лет.
Lumina показывает формирование галактик, распространение излучения и постепенное превращение Вселенной в прозрачную для света среду. Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества), сообщает ScienceDaily. Расчёты начинаются примерно через 45 млн лет после Большого взрыва, когда пространство в основном заполнял нейтральный водород.
После Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую плотную плазму, которая расширялась и остывала. Примерно через 380 тыс. лет электроны объединились с атомными ядрами, и образовался нейтральный водород, поглощавший часть излучения. Появление первых звёзд положило начало ре-ионизации водорода: ультрафиолетовое излучение стало отделять электроны от атомов, благодаря чему свет смог проходить на значительно большие расстояния.
Модель также воспроизводит ре-ионизацию гелия, для которой требуется более мощное излучение. Исследователи связывают ионизацию водорода преимущественно с первыми звёздами и галактиками, а необходимые для гелия энергии — с активно поглощающими вещество сверхмассивными чёрными дырами. По словам автора работы Марка Фогельсбергера, Lumina впервые объединила оба процесса в одной модели и охватывает объём, примерно в 100 раз превышающий масштаб прежних передовых симуляций.
В расчётах используются около 500 млрд элементов, включая частицы тёмной материи и ячейки, моделирующие газ. Обновлённая технология, созданная на основе симуляции IllustrisTNG, позволяет одновременно отслеживать рождение галактик и движение ультрафиолетового излучения через космическое пространство. Для выполнения вычислений применялся суперкомпьютер Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж, при этом система задействовала эквивалент более 100 тыс. процессорных ядер и около 15 тыс. графических процессоров.
Учёные предоставляют Lumina другим исследователям, чтобы сопоставлять её результаты с наблюдениями нынешних и будущих телескопов. Модель способна показывать процессы в разных масштабах — от распределения материи на гигантских расстояниях до формирования отдельных галактик и звёзд. В дальнейшем её планируют использовать для изучения ранней структуры Вселенной, древних гравитационных волн и больших популяций далёких галактик, которые можно сравнивать с данными наблюдений.