Учёные смоделировали первые 2 млрд лет жизни Вселенной

Подробно

Что такое Lumina и как её создавали?

Lumina - это космологическая радиационно-гидродинамическая симуляция. Она одновременно рассчитывает газ между галактиками, сами галактики, активные ядра с чёрными дырами, тёмную материю и ионизирующее излучение. Это не телескопическое наблюдение и не эксперимент, а компьютерная модель, которую затем можно сравнивать с наблюдениями.

Модель охватывает период от красного смещения z=49 до z=3. Красное смещение показывает, насколько растянулся свет с тех времён: чем оно больше, тем древнее эпоха. Эти значения соответствуют примерно 45 млн лет после Большого взрыва и первым примерно 2 млрд лет космической истории.

Расчётный объём - периодический куб с комовинговой стороной 500 мегапарсек (комовинговые координаты учитывают расширение Вселенной). Это около 1,63 млрд световых лет. В пресс-релизе Смитсоновского института значение округлено до 1,5 млрд световых лет, в MIT News - до 1,6 млрд.

Модель состоит из 2 × 6000³ элементов разрешения: 216 млрд газовых ячеек и столько же частиц тёмной материи, всего около 432 млрд. В материалах для прессы это округлено до «почти половины триллиона». Масса одного газового элемента - 3,6 × 10⁶ масс Солнца, частицы тёмной материи - 1,9 × 10⁷ масс Солнца.

Для расчёта использованы код AREPO с подвижной сеткой, модель образования галактик IllustrisTNG и модуль переноса излучения AREPO-RT, который работает на графических ускорителях. Источников излучения в модели четыре типа, объединённых в три класса: звёзды; аккрецирующие чёрные дыры (активные ядра галактик); рентгеновские двойные высокой массы и газ, нагретый ударными волнами.

Что показала симуляция о реионизации водорода и гелия?

По расчёту, реионизация водорода и обычного гелия (H I и He I) в основном вызвана излучением звёзд. К z=5 активные ядра дают около 15% ионизационного бюджета водорода.

Авторы разделили объём на 125 кубов со стороной 100 мегапарсек, чтобы оценить разброс между областями. Медианный подкуб полностью реионизуется по водороду примерно при z=5,2, а последние нейтральные области во всём объёме исчезают при z=4,75.

Реионизация гелия во втором состоянии ионизации (He II) начинается примерно при z=6, её середина приходится примерно на z=4, а к z=3 она почти завершена: остаточная доля объёма с He II ниже 1%. Источником жёсткого излучения здесь выступают сверхмассивные чёрные дыры в активных ядрах галактик.

Реионизация нагревает межгалактический газ. При ионизации H I и He I его температура достигает примерно 10-20 тысяч кельвинов. После охлаждения модель показывает новый тепловой подъём, связанный с реионизацией He II.

Раздельные начальные условия для обычного вещества и тёмной материи дают примерно 10-процентное подавление мощности возмущений обычного вещества относительно полной материи при z=10. Авторы сообщают, что рассчитанная томсоновская оптическая толщина (показатель того, как свободные электроны рассеивают реликтовое излучение) согласуется с результатом спутника Planck: 0,054 ± 0,007.

По словам Aaron Smith, соавтора и assistant professor of physics в Техасском университете в Далласе, впервые можно проследить, как водород и гелий приобретали современную форму в столь огромном объёме Вселенной, при этом модель всё ещё разрешает галактики и другие светящиеся объекты, которые запускают это превращение.

Чем Lumina отличается от прежних моделей и что в ней первое?

Предшественник проекта - THESAN, радиационно-магнитогидродинамическая модель эпохи реионизации, о которой написали в конце 2021 года. Её куб имел сторону 95,5 мегапарсек и содержал 2 × 2100³ элементов. Расчёт THESAN доходил лишь до z=5,5 и не охватывал реионизацию He II. Сторона куба Lumina - 500 мегапарсек, а расчёт доведён до z=3. По объёму это примерно в 143 раза больше, чем у THESAN-1. Авторы называют объём Lumina более чем в 100 раз превосходящим прежние сопоставимые модели.

Mark Vogelsberger, соавтор и professor of physics в MIT, говорит: Lumina описывает всё - от образования звёзд и галактик в малых масштабах до реионизации водорода и гелия в больших - в объёме, который в 100 раз больше, чем у лучших прежних симуляций.

Авторы и пресс-службы называют Lumina первой моделью, которая в одном расчёте прослеживает реионизацию водорода и He II и позволяет нагреву от реионизации гелия сразу влиять на дальнейшую эволюцию газа. Это оценка самой команды: исчерпывающей внешней проверки приоритета в источниках нет. Оговорка: при z<4,75 перенос низкоэнергетического излучения, отвечающего за H I и He I, заменён однородным ультрафиолетовым фоном; перенос жёсткого излучения и влияние реионизации He II по-прежнему рассчитываются.

Сколько вычислительных ресурсов потребовалось?

Расчёт выполнен на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Окриджа (штат Теннесси). Использовано 1884 вычислительных узла, 105 504 процессорных ядра и 7536 ускорителей AMD Instinct MI250X - чуть более 20% системы.

В пресс-релизах упоминаются «около 15 тысяч GPU». Противоречия тут нет: каждый MI250X содержит два графических кристалла, которые программная среда Frontier показывает как отдельные GPU, так что получается 15 072. Xuejian Shen, соавтор, говорит, что на пике расчёт объединяет эквивалент более 100 тысяч процессорных ядер и около 15 тысяч GPU.

Пиковый объём памяти достигал примерно 600 ТБ. Один полный контрольный снимок состояния занимал около 250 ТБ, а пиковая скорость его записи составляла около 800 ГБ/с. Основной вычислительный запуск достиг z=4,75 27 августа 2025 года, а конечного значения z=3 - 18 января 2026 года.

Что можно сравнить с телескопами JWST и Roman?

Lumina предназначена для прямого моделирования наблюдаемых величин: леса линий Лайман-альфа (поглощение света далёких квазаров межгалактическим водородом), 21-сантиметрового сигнала нейтрального водорода, карт интенсивности спектральных линий, выборок галактик и спектров поглощения квазаров.

Oliver Zier, первый автор и ITC Fellow в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики, объясняет: с телескопом JWST ранняя Вселенная стала новым рубежом астрофизики, и чтобы понять увиденное, теории нужно превратить в подробные предсказания.

Shen отмечает главное преимущество - размер: модель создаёт огромные популяции галактик, и их наконец можно сравнивать с очень большими выборками, которые соберут будущие обзоры.

JWST ведёт научные наблюдения уже сейчас. Roman запущен NASA 30 августа 2026 года, но на 26 октября ещё проходит научную калибровку. Первые научные изображения ожидаются в начале 2027 года, поэтому сравнения с реальными обзорами Roman пока нет. Сравнить Lumina можно с данными JWST и других телескопов.

Каковы ограничения Lumina и можно ли проверить результат?

Учёные предупреждают о нескольких ограничениях. Доля ионизирующих фотонов, выходящих из галактик, принята равной 0,18. Её специально откалибровали, чтобы получить реалистичную историю реионизации водорода, поэтому позднее исчезновение последних нейтральных областей при z=4,75 нельзя считать полностью независимым предсказанием. Приближение с уменьшенной скоростью света может искусственно задерживать облучение удалённых пустот. Межзвёздная среда и ряд процессов заданы упрощёнными субсеточными рецептами.

Модель начинает недооценивать число галактик со звёздной массой не менее 10¹¹ масс Солнца уже при z≈5, особенно сильно при z≥8. Модели на базе IllustrisTNG при z≈3-5, наоборот, дают слишком большие звёздные массы в гало тяжелее примерно 10^12,5 масс Солнца. Это ограничивает буквальное сравнение с выборками JWST.

Статья прошла рецензирование: препринт появился 14 мая 2026 года, рукопись поступила в журнал 26 мая, исправленная версия - 24 июля, принята 29 июля. Независимых оценок учёных, не входящих в команду, найти не удалось: цитаты в материалах принадлежат авторам работы. Полный набор данных авторы обещают открыть в 2028 году. Сейчас на сайте проекта доступны отдельные данные для иллюстраций и визуализации, остальное можно запросить у автора для переписки. Пока это ограничивает независимое воспроизведение расчёта.

Дальше авторы предлагают синтетический анализ лесов Лайман-альфа для H I и He II, сравнение средней длины свободного пробега фотонов, изучение топологии ионизованных пузырей, потоковых скоростей между обычным веществом и тёмной материей, оптической толщины реликтового излучения и фона гравитационных волн.