Физики проявляют большой интерес к первому миллиарду лет существования Вселенной — периоду между Большим взрывом и образованием первых звезд, в течение которого начали формироваться галактики. В течение последних 600 миллионов лет этого периода нейтральная межзвездная галактическая среда и даже предгалактическая среда ионизировались ультрафиолетовым излучением, испускаемым первыми звездами, светящимися в самых ранних, растущих галактиках. Понимание физики этого растяжения, называемого «эпохой реионизации», или EoR, позволило бы связать физику современной Вселенной с Большим взрывом.
«Эпоха реионизации представляет собой последний крупный переход Вселенной в истории космической эволюции, — говорит астрофизик-теоретик Пол Шапиро из Техасского университета в Остине, — от фазы, когда все пространство было заполнено почти безликим, однородным газом, к фазе, в которой возникла структура, с образованием первых галактик и внутри них звезд».
Непосредственное наблюдение далеких источников реионизации является сложной задачей, и их обнаружение пока ограничено самыми яркими галактиками. Физики используют компьютерное моделирование, чтобы воссоздать богатую физику EoR. 10 апреля, во время апрельского собрания APS 2022, астрофизик-теоретик Пол Шапиро из Техасского университета в Остине представит основные моменты и наблюдательные прогнозы проекта Cosmic Dawn III (CoDa), крупнейшего на сегодняшний день радиационно-гидродинамического моделирования EoR.
Моделирование EoR с помощью CoDa III потребовало больших вычислительных затрат. Модель имела триллион вычислительных элементов — 81923 частицы темной материи и 81923 газовых и радиационных ячеек в области размером 300 миллионов световых лет — и обладала достаточно высоким разрешением, чтобы проследить все формирующиеся галактические гало, которые вызвали реионизацию в этом объеме, что далеко за пределами возможностей обычных компьютеров. Моделирование продолжалось в течение 10 дней на 131 072 процессорах, соединенных с 24 576 графическими процессорами на суперкомпьютере Summit, расположенном в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси.
Размер — не единственная примечательная особенность симуляции CoDa III, говорит Шапиро. Отслеживание эволюции формирования галактик и реионизации требует учета процесса обратной связи: ионизирующее излучение, просачивающееся из галактик, должно было нагревать межгалактическую среду. Это дополнительное тепло, в свою очередь, оказывало давление на газ, достаточное для того, чтобы противостоять гравитационному притяжению близлежащих галактик. Поскольку в противном случае газ послужил бы топливом для образования звезд, чистым результатом этого процесса стало торможение появления новых звезд.
Предыдущие модели разделяли эти эффекты, но Шапиро говорит, что CoDa III может моделировать гравитационную динамику газа и материи вместе с учетом ионизирующего излучения и его влияния на газ. Без радиационного переноса время в эволюционной модели пришлось бы разделить на достаточно маленькие шаги, чтобы представить меняющиеся плотности газа, звезд и темной материи. Добавление этого контура обратной связи означает, что временные шаги должны быть в сотни раз меньше, чтобы отразить высокую скорость «поверхностей ионизации» — быстро расширяющихся ионизирующих пузырей, вырывающихся наружу из новообразованных галактик и распространяющихся по всей Вселенной. Связанные процессоры и графические процессоры на суперкомпьютере Summit, говорит Шапиро, позволили решить эти уравнения почти так же быстро, как если бы модель не включала излучение.
Примечательно, говорит Шапиро, что CoDa III решает проблему между теорией и данными наблюдений, которая возникла в исследованиях EoR, а именно: теоретические предсказания предыдущих моделей не совпадают с наблюдениями спектров поглощения квазаров, которые исследуют Вселенную в конце EoR и после. Эта проблема исчезает в CoDa III, поскольку моделирование дает самосогласованные предсказания, которые согласуются с последними наблюдениями.
Шапиро предсказывает, что в ближайшие годы изучение EoR будет стремительно развиваться. Космические обсерватории, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, который был запущен в декабре 2021 года, и космический телескоп Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на 2027 год, а также наземные проекты, такие как Чрезвычайно большой телескоп, расширят возможности астрономов по наблюдению за далекими движущими силами реионизации. Нынешние и предстоящие радиоисследования могут помочь исследователям лучше определить неоднородный и неоднородный способ ионизации МГМ.
Моделирование, подобное Cosmic Dawn, говорит Шапиро, обеспечивает теоретическую основу для того, что увидят эти сложные телескопы. «Помимо соответствия существующему спектру наблюдений и прогнозирования новых», — говорит он, — «это дает критическое понимание природы происходивших физических процессов».
Иллюстрация к статье:
Обсуждение