Цивилизация
Одной из главных заслуг современной космологии является создание модели всего с шестью независимыми параметрами, удачно описывающей эволюцию Вселенной от первых минут после Большого взрыва до наших дней. Согласно этой стандартной космологической модели Вселенная на 95% состоит из загадочных субстанций — темной энергии и материи.
При этом смоделировать динамическое поведение видимой нами так называемой барионной части Вселенной, на долю которой приходится лишь 5%, остается трудновыполнимой задачей.
В статье, опубликованной в журнале Nature, космолог Марк Вогельсбергер из Массачусетского технологического института представил результаты численного моделирования космических структур, которое впервые смогло охватить как крупномасштабное распределение видимого вещества, так и его эволюцию в отдельных галактических системах.
Решить подобную задачу весьма важно, но сделать это существующими методами сложно: чтобы достоверно смоделировать эволюцию Вселенной,
космологи должны обсчитать поведение вещества размером минимум 100 млн парсек (326 млн световых лет).
И это при том что характерные размеры отдельных областей звездообразования обычно не превышают одного парсека, а аккреция газа на сверхмассивные черные дыры происходит на еще меньших масштабах. Компьютерное моделирование остается наиболее подходящим инструментом для описания эволюции Вселенной на таких масштабах. Однако до недавнего времени вычисления на лучших суперкомпьютерах не могли одновременно смоделировать крупномасштабное распределение газа, звезд и темной материи, с одной стороны, и развитие отдельных галактик — с другой.
Модель Вогельсбергера, получившая название Illustris,
содержит более 10 млрд отдельных клеток, что примерно в десять раз превышает показатели предыдущих моделей.
Благодаря симуляции астрономы просчитали, как эволюционировала Вселенная с возраста всего 12 млн лет до наших дней, то есть спустя 13,8 млрд лет.
В результате этих вычислений, в которых масса элементарной массивной области пространства составляет порядка миллиона масс Солнца,
образовалось 41 416 отдельных галактик.
Кроме того, ученые применили новые типы математических расчетов, применяемых для описания жидких сред, чтобы решить уравнения, описывающие эволюцию барионного вещества в космических структурах. И наконец, главным новшеством стал учет в модели таких сложных астрофизических процессов, которые никогда раньше не брались в расчет. К ним относятся охлаждение межгалактического газа, эволюция отдельных звезд, выбросы энергии при взрывах сверхновых, образование новых химических элементов и падение газа на сверхмассивные черные дыры.
Технических проблем добавляет то, что многие из этих процессов развиваются по сложным нелинейным законам, что требует для их описания отдельных достоверных моделей, которые аккуратно учитывают лежащую в их основе физику.
В результате для просчета всех процессов ученым потребовалось 16 млн часов компьютерного времени.
Самым убедительным подтверждением правильности выбранной модели стало сравнение ее результатов с наблюдаемыми данными. Уже на ранних стадиях «компьютерной вселенной» общий вид галактик сложно отличить от изображений, полученных в хаббловском обзоре Ultra Deep Field — самом глубоком изображении Вселенной на сегодняшний день.
Примечательно то, что на более поздних стадиях галактики сами стали превращаться в спиральные и эллиптические, то есть те, которые мы наблюдаем в настоящее время во Вселенной.
Этот успех стал поворотной точкой, так как ни одна прошлая модель вселенной не была способна на такое. Распределение металлов и ионизованного водорода в виртуальной вселенной также во многом совпало с наблюдаемыми данными. Результаты моделирования привели ученых к выводу, что прошлые неудачи связаны не с недостатками стандартной космологической модели (ΛCDM). «Прошлые тщетные попытки достичь такой точности были связаны не со слабостью ΛCDM-парадигмы, а скорее с пределами численных алгоритмов и физического моделирования», — считают ученые.