Астрономы получили новую масштабную модель ранней Вселенной, которая позволяет одновременно проследить реионизацию водорода и гелия, а также развитие галактик и активных ядер галактик. Симуляция получила название Lumina и создана специалистами Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. Её результаты представлены в статье журнала Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Проект возглавил Оливер Цир, сотрудник Institute for Theory and Computation при Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. Исследователи отмечают, что совместное влияние галактик и активных ядер галактик на реионизацию межгалактической среды остаётся одной из важных нерешённых задач космологии. Lumina моделирует связанные изменения межгалактического газа, галактик и активных ядер галактик в периоды реионизации нейтрального водорода, нейтрального гелия и ионизированного гелия до красного смещения z = 3.
Красное смещение z = 3 соответствует примерно 11,7 млрд лет назад — приблизительно 2,1 млрд лет после Большого взрыва. Этот период называют космическим полднем: тогда темпы звездообразования достигли максимума, а квазары были особенно активны. Одновременно завершалась реионизация гелия II, которую обычно считают последним крупным переходом состояния межгалактической среды после реионизации водорода.
Водород в основном ионизировали ультрафиолетовые фотоны сравнительно небольшой энергии, испускаемые карликовыми галактиками со звездообразованием. Для гелия, составлявшего около 25% межгалактической среды, этого излучения было недостаточно, поэтому его реионизация началась позднее под воздействием многочисленных квазаров и чрезвычайно ярких активных ядер галактик. По расчётам Lumina, процесс стартовал примерно при z = 6, достиг середины около z = 4 и почти завершился к z = 3, когда доля объёма с остаточным ионизированным гелием II стала меньше 1%.
Размер расчётной области Lumina заметно превосходит объём крупнейшего запуска IllustrisTNG — TNG 300. Если сторона его модели составляла около 3,3 мегапарсека, то у Lumina она достигает 500 мегапарсеков, или примерно 1,5 млрд световых лет. Такой масштаб позволяет лучше учитывать редкие объекты, крупные космические структуры и статистические различия между участками Вселенной, сохраняя при этом согласованность популяции галактик с исходным проектом IllustrisTNG.
Создание модели потребовало более 15 тыс. графических процессоров суперкомпьютера Frontier Национальной лаборатории Оук-Ридж, который занимает третье место среди самых быстрых суперкомпьютеров мира после El Capitan и Line Shine. «С JWST ранняя Вселенная стала захватывающим новым направлением астрофизики. Чтобы понять, что мы видим с помощью этого телескопа, необходимо переводить наши теории в подробные предсказания. После нескольких лет работы, с множеством взлётов и падений, невероятно приятно увидеть результаты симуляции и наблюдать, как наши предсказания оживают в видео», — заявил Оливер Цир в пресс-релизе. Соавтор исследования Аарон Смит добавил: «Впервые мы можем проследить, как водород и гелий приобрели современное состояние на таком огромном объёме Вселенной, одновременно разрешая галактики и другие яркие объекты, которые вызвали это преобразование».