Учёные Массачусетского технологического института и их партнёры представили Lumina — масштабную компьютерную симуляцию первых двух миллиардов лет развития Вселенной. Модель показывает, как начальные неоднородности материи привели к появлению звёзд и галактик, а их излучение изменило межгалактический газ.

Расчёты выполнили на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Оук-Ридж в США. В пиковые моменты для симуляции задействовали более 100 000 процессорных ядер и около 15 000 графических процессоров.

Модель охватывает кубический участок пространства со стороной примерно 1,63 млрд световых лет. Он содержит около 432 млрд элементов, описывающих тёмную материю и газ. По словам авторов, объём моделирования примерно в 100 раз превышает объём предыдущих симуляций, созданных для сопоставимых исследований.

Lumina основана на усовершенствованной версии программного комплекса IllustrisTNG, дополненной моделированием распространения излучения. Благодаря этому учёные могут одновременно отслеживать гравитационные процессы, движение материи, формирование звёзд и ионизацию межгалактического газа.

Одним из ключевых процессов в модели стала повторная ионизация водорода под воздействием света молодых звёзд и галактик. Симуляция также учитывает ионизацию гелия, в которой существенную роль играют активные сверхмассивные чёрные дыры.

Цель проекта — понять, как Вселенная вышла из космических «тёмных веков» — периода, предшествовавшего появлению первых светящихся объектов. Преимущество Lumina заключается в том, что она связывает эволюцию отдельных галактик с изменениями крупномасштабной структуры Вселенной.

Результаты симуляции можно будет сопоставлять с наблюдениями космического телескопа «Джеймс Уэбб» и будущего телескопа «Роман». Это позволит проверять теории раннего звездообразования.

При этом Lumina не является прямой записью прошлого. Это расчёт вероятной космической эволюции, основанный на физических моделях и заданных начальных условиях. Ожидается, что с 2028 года симуляция станет полностью доступна научному сообществу.