Исследователи из Цюрихского университета с помощью суперкомпьютера Piz Daint разработали крупнейшую симуляцию ранней Вселенной.
По современным представлениям, возраст Вселенной превышает 13 миллиардов лет. Помимо барионной, она состоит из темной материи — гипотетического вещества, которое не взаимодействует с электромагнитным излучением, — и темной энергии. При этом, согласно наблюдениям космического аппарата WMAP, доля последних может достигать 96 процентов. Несмотря на невозможность прямых исследований, введение их в рассмотрение помогает решить проблему скрытой массы, которая, в частности, проявляется в аномально высокой скорости вращения галактик. На анализ геометрии темных энергии и материи направлена миссия «Евклид» — сейчас она разрабатывается Европейским космическим агентством (ESA).
Как часть программы ESA Cosmic Vision «Евклид» планируется запустить в 2020 году. Ожидается, что аппарат позволит измерить красное смещение галактик до z=2 — это, в свою очередь, обеспечит возможность изучить состояние, в котором пребывала Вселенная 10 миллиардов лет назад. Оценка корреляции между красным смещением и формами галактик поможет определить вклад темной энергии в расширение Вселенной. Чтобы минимизировать ошибки наблюдений «Евклида», немецкие ученые построили модель N-тел с двумя триллионами частиц, образующих скопления темной материи массой, эквивалентной 10^9 солнечных. Симуляция проводилась на одном из мощнейших суперкомпьютеров — Piz Daint.
Крупномасштабная структура Вселенной в рамках симуляции с двумя триллионами частиц / ©Douglas Potter et al., Computational Astrophysics and Cosmology, 2017
Разработка модели велась в течение трех лет и стала итогом создания алгоритма PKDGRAV3. Этот программный код с высокой точностью описывает формирование масштабных структур, включая галактические нити и войды, и темной материи. Поскольку код был адаптирован к работе на суперкомпьютерах, симуляция заняла лишь 80 часов. По условиям расчетов, за точку отсчета для эволюции Вселенной принимается возраст в 49 миллионов лет. На первом этапе ее структура сохраняла однородность. Затем за счет гравитации частиц возникали темные гало — считается, что эти компоненты галактик играют важную роль в образовании звездных скоплений, притягивая барионную материю.
На основании модели авторы составили каталог из 25 миллиардов галактик (mock galaxy catalogue). Особенностью симуляции выступает то, что масса виртуальных скоплений составляет до 0,1 Млечного Пути, что является ключевым требованием при подготовке к миссии «Евклид». По словам исследователей, новая модель впервые позволит не только изучить и прогнозировать эффекты, но и измерить фундаментальные физические величины на основе потенциальных наблюдений. Ранее симуляции помогли астрономам открыть неизвестный тип планетарных объектов и прояснить нехватку карликовых галактик около Млечного Пути. В феврале российские ученые оценили разрушительность слияния галактик.
Подробности исследования представлены в журнале Computational Astrophysics and Cosmology.