Lumina: най-голямата симулация на ранната Вселена

Екип от Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian представи Lumina — според съобщението от 25 октомври най-голямата космологична радиационно-хидродинамична симулация, правена досега. Моделът проследява как обикновената материя, тъмната материя и лъчението се преплитат през първите около 2 милиарда години от историята на Вселената, а резултатите са публикувани в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (DOI 10.1093/mnras/stag1469). Водещ автор е Оливър Циер, ITC fellow в CfA, заедно с Арън Смит от Университета на Тексас в Далас.

Какво точно е сметнато

Страницата на проекта дава сухите числа: куб със съпътстваща страна 500 cMpc — около 1,5 милиарда светлинни години, или над 100 пъти по-голям обем от сравнимите досегашни симулации. В него има 2 × 6000³ изчислителни елемента, тоест над 430 милиарда. Масовата резолюция е 3,6 × 10⁶ слънчеви маси за барионите и 1,9 × 10⁷ слънчеви маси за тъмната материя.

Еволюцията започва при червено отместване z = 49 и стига до z = 3. Кодът е AREPO с радиативен транспорт в шест честотни ленти — точно това е скъпата част, защото фотоните трябва да се носят през газа едновременно с гравитацията и хидродинамиката.

Сметките са минали на Frontier в Oak Ridge National Laboratory. CfA говори за над 15 000 графични процесора; страницата на проекта изброява 7 536 AMD ускорителя и 105 504 CPU ядра — разликата идва от това, че всеки MI250X се вижда от софтуера като две отделни GPU.

Снимка: Lumina Collaboration

Защо това е важно

Тъмната материя не свети и не се сблъсква — тя само тежи. Затова първото, което се случва в ранната Вселена, е гравитационно: тъмната материя се събира във филаменти и възли, а обикновеният газ пада в тези ямки и там се запалват първите звезди. Именно тази скелетна структура е сюжетът и на снимката на деня на NASA от 25 октомври — друга визуализация, от шоуто „Dark Universe“ на Hayden Planetarium, дело на Том Абел и Ралф Келер от KIPAC/SLAC и Американския музей по естествена история.

Снимка: Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC/SLAC), AMNH

Трудната част обаче не е гравитацията, а светлината. Когато първите звезди и активни галактични ядра светнат, те йонизират околния газ и самите те променят условията, в които се раждат следващите звезди. Това е обратна връзка, която не можете да сметнете наполовина — или носите фотоните, или не описвате реионизацията.

Водородът е от звездите, хелият — от квазарите

Тук са и основните резултати от препринта в arXiv. Реионизацията на водорода в Lumina се задвижва преди всичко от звездите и завършва около z ≈ 5,2. Втората, по-късна реионизация — тази на еднократно йонизирания хелий — иска много по-твърди фотони и се оказва работа на активните галактични ядра; в модела тя приключва към z = 3.

Оптичната дълбочина на разсейване, която симулацията предсказва, е в добро съгласие с измерванията на Planck. Това е важна проверка: моделът не е нагласен към този резултат, а го възпроизвежда от физиката вътре.

Големият обем дава и нещо, което малките кутии не могат — статистика за редките обекти. Най-масивните и най-ярките галактики в ранната Вселена са точно тези, които JWST вижда, и точно тези, които в малка симулация просто не се срещат достатъчно често, за да кажете нещо смислено за тях.

Какво следва

Lumina е направена, за да се сравнява с наблюдения, а не само да изглежда добре. Екипът изрично насочва към три фронта: гората на Lyman-α в спектрите на далечни квазари, 21-сантиметровата космология и спектрите на самите квазари. Там предсказанията на модела могат да бъдат опровергани, което е и смисълът им.

Струва си да се каже и какво не е това. Lumina не доказва съществуването на тъмната материя — тя я приема като съставка и проверява дали оттам нататък картината излиза. Доказателствата за тъмната материя идват отдругаде: от скоростите на въртене на галактиките, от движението им в купове и от силата, с която гравитационните лещи отклоняват светлината.

Заключение

Стойността на Lumina е в комбинацията: обем, голям колкото на чисто гравитационните симулации, но с радиативен транспорт вътре. Досега трябваше да избирате едно от двете. Следващата стъпка е сравнението с реалните данни — и ако някъде моделът се разминае с JWST или с 21-сантиметровите наблюдения, това ще е по-интересната новина. Междувременно симулациите все по-често са инструментът, с който се тества физика, която не можем да възпроизведем в лаборатория — както при необичайния облак над Марс, а наблюдателната страна остава под натиск, след като NASA прекрати мисията Swift след 22 години.