Физики из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и других научных учреждений создали компьютерную модель Lumina, описывающую развитие ранней Вселенной от эпохи космических «тёмных веков» на протяжении следующих 2 млрд лет. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, сообщается на сайте Массачусетского технологического института. Модель позволяет одновременно рассматривать процессы на масштабах отдельных галактик и огромных участков космоса.
После Большого взрыва Вселенная представляла собой горячую плотную смесь электронов и субатомных частиц. По мере расширения и охлаждения частицы объединились с электронами, образовав электрически нейтральный водород. Примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва скопившийся водород начал поглощать свет и другие виды излучения, из-за чего Вселенная погрузилась в период темноты.
Lumina начинается примерно через 45 млн лет после Большого взрыва, когда нейтральный водород преобладал в космосе. Модель отслеживает взаимодействие газа и тёмной материи, появление звёзд и галактик, а также распространение излучения. Она охватывает область размером 500 мегапарсеков, или около 1,6 млрд световых лет, и включает примерно 500 млрд отдельных элементов, среди которых частицы тёмной материи и ячейки газа.
За 2 млрд лет расчётов Lumina воспроизводит два важных этапа космической истории — повторную ионизацию водорода и гелия. Первую, согласно результатам моделирования, обеспечивали ультрафиолетовые лучи ранних звёзд и галактик: они отрывали электроны от атомов водорода и позволяли свету свободно распространяться. Ионизацию гелия вызывало более мощное излучение сверхмассивных чёрных дыр, находившихся в активной фазе поглощения вещества.
Для создания Lumina исследователи усовершенствовали код IllustrisTNG, добавив к модели формирования галактик расчёт переноса излучения. Новая система имеет примерно в 30 раз более высокое разрешение и в 100 раз больший объём по сравнению с прежними лучшими симуляциями. Расчёты выполнялись на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Оук-Ридж; на пиковом этапе использовался эквивалент более 100 тыс. процессорных ядер и около 15 тыс. графических процессоров.
По словам авторов, модель позволяет проследить путь от сгущений газа и тёмной материи до первых галактик и звёзд, а затем увидеть распространение созданного ими излучения по Вселенной. Команда предоставила Lumina научному сообществу для сопоставления результатов с данными новых и будущих телескопов. В дальнейшем симуляцию планируют применять для изучения крупномасштабной структуры ранней Вселенной и прогнозирования гравитационных волн, которые могли возникать при формировании первых галактик и чёрных дыр.