Новое масштабное и мощное моделирование помогает объяснить реионизацию Вселенной

Это потрясающее изображение получено в рамках проекта Lumina. На нём показана часть космической паутины диаметром около 650 миллионов световых лет. Тонкие нити символизируют тёмную материю, а тёплые оранжевые и жёлтые оттенки выделяют участки, где газ движется быстрее всего между скоплениями галактик. Lumina — самое детализированное космологическое моделирование из когда‑либо созданных, превосходящее по масштабам даже Illustris TNG 300. Источник изображения: Оливер Цир, Центр астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт

Современная астрономия использует массивные телескопы с сегментированными зеркалами, огромные цифровые камеры, сложные системы обработки данных и наборы мощных приборов, предназначенных для различных конкретных целей. Но это лишь наблюдательная сторона дела. Чтобы разобраться в чрезвычайно детализированных данных, которые предоставляют эти телескопы, требуется свой собственный подход. Именно здесь на помощь приходит моделирование.

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба и космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман — два самых мощных космических телескопа из существующих. Благодаря своим инфракрасным возможностям они особенно хорошо позволяют пролить свет на самые ранние этапы истории Вселенной. В то время как «Роман» только начинает свою работу, «Уэбб» уже несколько лет активно работает и успел преподнести несколько сюрпризов.

И тут на сцену выходит новая симуляция, разработанная Центром астрофизики Гарвардского университета и Смитсоновского института (CfA). Она называется Lumina и является одной из крупнейших и наиболее детализированных симуляций на сегодняшний день.

Проект «Lumina» представлен в новой статье, опубликованной в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society». Ведущий автор — Оливер Зир (Oliver Zier), научный сотрудник Института теории и вычислений при Центре астрофизики Гарвардского университета и Смитсоновского института.

«Понимание того, как галактики и активные ядра галактик (АЯГ) совместно стимулируют реионизацию межгалактической среды (МГС) на протяжении космического времени, по‑прежнему остаётся одной из главных задач космологии», — пишут авторы. «Мы представляем Lumina — крупномасштабное радиационно‑гидродинамическое моделирование, которое самосогласованно отслеживает взаимосвязанную эволюцию МГС, галактик и АЯЯ в процессе реионизации H i, He i и He ii вплоть до красного смещения z = 3».

Красное смещение z = 3 соответствует времени примерно 11,7 миллиарда лет назад, или примерно 2,1 миллиарда лет после Большого взрыва. Это период «Космического полудня», когда звездообразование во Вселенной достигло своего пика, а квазары проявляли наибольшую активность. Это также конец реионизации гелия II, который обычно считается последним фазовым переходом в мегагалактической среде (IGM) после того, как нейтральный водород уже был реионизирован.

Как именно произошла реионизация нейтрального водорода и гелия во Вселенной, до сих пор до конца не ясно. Неясен вклад различных источников — звёзд, сверхмассивных чёрных дыр и активных галактических ядер. Космологи также по‑прежнему ломают голову над тем, в какие сроки всё это происходило. Завершилось ли всё это сразу, плавным финалом? Или процесс был неравномерным?

Объём модели Lumina превосходит объём другой известной модели — Illustris TNG. Самым масштабным прогоном TNG был TNG 300, сторона куба которого составляла около 303 мегапарсека. У Lumina же сторона куба равна 500 сопутствующим Мпк (в 4,5 раза больше по объёму). Таким образом, Lumina моделирует область размером примерно 1,5 миллиарда световых лет с каждой стороны, что примерно соответствует тому, что астрономы могут увидеть с помощью наших самых мощных телескопов.

На этом изображении показана плотность барионной материи, то есть газа и звёзд, в увеличенных прямоугольниках со сторонами длиной 500 cMpc, 50 cMpc, 5 cMpc и 500 ckpc. Рисунок иллюстрирует встраивание гало в космическую сеть, его нитевидные потоки газа и компактную звёздную структуру в центре.

Хотя реионизация водорода изучалась достаточно широко, поскольку это самый распространённый элемент во Вселенной, реионизация гелия не была предметом таких исследований. Модель Lumina моделирует реионизацию гелия и учитывает полученные результаты в остальной части симуляции. Это проливает свет на влияние реионизации гелия на космос.

В то время как водород реионизировался преимущественно под действием ультрафиолетовых фотонов низкой энергии, исходящих из карликовых галактик, в которых происходило звездообразование, их энергия была недостаточна для реионизации гелия, составлявшего около 25% межгалактической среды (IGM). Для этого пришлось дождаться появления огромного множества квазаров и чрезвычайно ярких активных ядер галактик, пик активности которых пришёлся на период «Космического полудня».

Однако расширить моделирование с учётом реионизации гелия было нелегко. «Моделирование реионизации He II сопряжено со значительными вычислительными трудностями», — поясняют авторы. «Чтобы достичь z = 3, моделирование должно продолжаться ещё почти один гигагод после окончания реионизации H I, в течение которого распределение вещества становится всё более сгруппированным».

Для этого Lumina работает на более чем 15 000 графических процессорах суперкомпьютера Frontier в Ок‑Риджской национальной лаборатории — третьего по скорости суперкомпьютера в мире после El Capitan и Line Shine. Frontier обладал достаточной мощностью для вычислений огромного объёма пространства с требуемым уровнем детализации.

Первые результаты модели Lumina по реионизации He II хорошо согласуются с наблюдениями.