Исследователи завершили одну из крупнейших компьютерных симуляций космической истории из когда-либо созданных. Проект под названием ASTRID прослеживает рост галактик и черных дыр с ранних дней Вселенной до настоящего времени, предоставляя астрономам виртуальную лабораторию для проверки идей, которые невозможно воспроизвести в реальном небе.
Симуляция начинается с красного смещения 99, когда Вселенная еще находилась на ранних стадиях формирования структуры, и развивается вперед до наших дней. На протяжении примерно 13,5 миллиарда лет она отслеживает гравитацию, газ, звезды и черные дыры, которые собираются в галактики и взаимодействуют в расширяющемся космосе.
ASTRID содержит 166 миллиардов частиц в объеме около 815 миллионов световых лет в поперечнике. Расчеты проводились на суперкомпьютере Frontera в Техасском центре передовых вычислений. Каждый сохраненный снимок эволюционирующей модели может занимать около 30 терабайт, что дает представление о масштабе проекта.
Своевременность работы особенно важна, поскольку космический телескоп NASA James Webb находит массивные черные дыры в удивительно ранние времена. Эти наблюдения бросают вызов простым объяснениям того, как первые зародыши черных дыр формировались и росли так быстро. Теперь исследователи могут сравнивать эти наблюдения с разными начальными условиями внутри ASTRID и видеть, какие сценарии воспроизводят похожие галактики.
Симуляция также отслеживает слияния галактик и постепенное погружение черных дыр к галактическим центрам. Ее модели динамического трения улучшают оценки того, сколько времени занимают такие встречи. Когда черные дыры в конечном итоге сливаются, событие должно высвободить гравитационные волны, которые смогут зафиксировать будущие обсерватории, такие как Laser Interferometer Space Antenna.
ASTRID полезна для планирования этих наблюдений. Команда может генерировать прогнозы о том, где должны происходить слияния массивных черных дыр, в каком окружении они находятся и как могут выглядеть их гравитационно-волновые сигналы. Симуляция также способна создавать модельные наблюдения для крупных обзоров галактик, включая Legacy Survey of Space and Time обсерватории Веры К. Рубин.
Симуляция — не фотография Вселенной, и она не может ответить на вопрос лишь потому, что содержит больше частиц. Ее ценность — в сравнении: исследователи меняют предположения, прогоняют историю вперед и проверяют получившиеся галактики на соответствие измерениям телескопов и детекторов. Этот подход дополняет методы, используемые для изучения черных дыр, которые нельзя увидеть напрямую.
Завершенные данные ASTRID теперь доступны научному сообществу. Это дает другим командам общую модель для изучения роста черных дыр, формирования галактик и гравитационно-волновых событий, которые вскоре могут быть обнаружены в масштабах космического времени.
Машина времени в суперкомпьютере: зачем астрономам виртуальные вселенные
Современная астрономия столкнулась с парадоксом: телескопы видят все дальше в прошлое, но чем древнее объекты, тем труднее объяснить их существование. James Webb регулярно обнаруживает черные дыры, которые по всем расчетам не должны были успеть вырасти до таких размеров. Именно здесь на помощь приходят симуляции вроде ASTRID.
Компьютерная модель позволяет «переиграть» историю Вселенной с другими начальными условиями. Что, если первые черные дыры рождались массивнее, чем считалось? Что, если они росли быстрее из-за особенностей раннего газа? Каждый сценарий можно прогнать через 13,5 миллиарда лет виртуального времени и сравнить результат с наблюдениями.
Масштаб ASTRID поражает: 166 миллиардов частиц — это больше, чем звезд в Млечном Пути. Но даже такая модель — грубое упрощение реальности. Каждая частица в ней представляет не отдельную звезду или газовое облако, а целую совокупность материи. И все же этого достаточно, чтобы выявить закономерности, недоступные прямому наблюдению.
Особую ценность представляют прогнозы для гравитационно-волновой астрономии. Будущая обсерватория LISA сможет регистрировать слияния сверхмассивных черных дыр — события, которые длятся годами и происходят на расстояниях в миллиарды световых лет. Зная заранее, где и как часто такие события должны происходить, астрономы смогут целенаправленно искать их сигналы.
Открытость данных ASTRID — еще один шаг к коллективной науке. Теперь любая исследовательская группа может использовать эту модель для проверки собственных гипотез, не тратя годы на создание симуляции с нуля. В этом смысле ASTRID — не просто инструмент, а общий фундамент для целого поколения исследований.
Источники: материалы проекта ASTRID, Техасский центр передовых вычислений, данные космического телескопа James Webb, публикации о будущей обсерватории LISA.
Ваш комментарий