Команда международных астрофизиков разработала комплексную компьютерную симуляцию под названием Lumina, предназначенную для отслеживания эволюции Вселенной на заре её существования, начиная с периода так называемых «тёмных веков» и до формирования первых звёзд, галактик и сверхмассивных чёрных дыр. Данное моделирование охватывает приблизительно два миллиарда лет космической истории и исследует область пространства размером около 1,6 миллиарда световых лет. Впервые в рамках столь масштабного исследования учёным удалось детально воспроизвести процессы формирования галактик и трансформации водорода и гелия под воздействием излучения.

Разработка была представлена специалистами из Массачусетского технологического института (MIT), Гарвардского университета и ряда других научных учреждений. Основной целью проекта являлось изучение периода, последовавшего за Большим взрывом, когда начали появляться первые источники света, оказывающие влияние на физические условия в межгалактическом пространстве.

Приблизительно через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной снизилась до уровня, при котором электроны начали объединяться с атомными ядрами, формируя нейтральные атомы водорода и гелия. В результате пространство стало прозрачным для реликтового излучения, однако на тот момент звёзды и галактики ещё не существовали. Этот период вошёл в историю как космические тёмные века, завершившиеся появлением первых светящихся объектов.

С формированием звёзд и галактик их ультрафиолетовое излучение начало воздействовать на окружающий нейтральный водород, приводя к выбиванию электронов из атомов. Этот процесс получил наименование реионизации. Постепенно области ионизированного газа расширялись и объединялись, что приводило к изменению прозрачности межгалактической среды для ультрафиолетового излучения. Данный переход считается одним из ключевых этапов ранней эволюции Вселенной.

Благодаря моделированию с помощью Lumina стало возможным отслеживать изменения в масштабах как целых галактик, формирующихся одновременно, так и отдельных объектов. В рамках симуляции учитываются такие факторы, как движение тёмной материи, распределение газовой среды, процессы звездообразования и распространение электромагнитного излучения. Исходные параметры соответствуют состоянию Вселенной приблизительно через 45 миллионов лет после Большого взрыва.

Для разработки данной модели научная группа доработала программный комплекс IllustrisTNG, который ранее использовался для изучения формирования и эволюции галактик. В обновлённую версию включён детальный расчёт распространения излучения и его взаимодействия с окружающей средой. Это позволило Lumina охватить область пространства, которая в сотни раз превышает размеры некоторых из наиболее подробных предыдущих моделей, описывающих раннюю космическую реионизацию.

При проведении вычислений было задействовано около полутриллиона единиц информации, отражающих характеристики тёмной материи и газа. Для обработки такого огромного массива данных исследователи использовали суперкомпьютер Frontier, расположенный в Ок-Риджской национальной лаборатории в Соединенных Штатах Америки. В период максимальной загрузки одновременно функционировало свыше 100 тысяч процессорных ядер и значительное количество графических ускорителей.

Ключевым достижением стало воссоздание двух значимых процессов, происходивших в межгалактическом пространстве: первичной ионизации водорода и последующей повторной ионизации гелия. Результаты моделирования указывают на то, что основным источником излучения, ответственного за реионизацию водорода, были молодые звёзды, расположенные в ранних галактиках. Их ультрафиолетовое излучение постепенно влияло на состояние газовой среды на значительных расстояниях.

Для повторной ионизации гелия требовалось более интенсивное излучение. Согласно результатам моделирования, ключевую роль в этом процессе играли активные ядра галактик, содержащие сверхмассивные чёрные дыры. Поглощая вещество из окрестностей, эти объекты генерировали мощный поток энергии, достаточный для удаления единственного электрона у атомов гелия, ионизированных лишь однажды.

Благодаря Lumina стало возможным объединить в рамках единой модели процессы, протекавшие на различных этапах ранней Вселенной. Специалисты получили возможность отследить формирование плотных структур из материи, внутри которых впоследствии возникли галактики, а также то, как излучение звёзд и активных чёрных дыр постепенно трансформировало окружающее пространство.

Ключевой особенностью новой модели является её способность к изучению отдельных галактик на фоне общей структуры Вселенной. Учёные могут переключаться между изображением обширных космических регионов и относительно небольшими скоплениями газа, являющимися исходным материалом для формирования звёздных систем. Данный метод позволяет исследовать взаимосвязь развития отдельных галактик и изменений в межгалактической среде.

Создатели Lumina планируют сделать результаты своих исследований доступными для научного сообщества с целью их сопоставления с фактическими астрономическими данными. Значительный интерес представляют данные, полученные космическим телескопом «Джеймс Уэбб», а также будущие обзоры далёких галактик. Сопоставление наблюдаемых данных и результатов расчётов позволит уточнить представления о скорости формирования первых звёздных систем и их роли в эволюции ранней Вселенной.

Тем не менее, Lumina продолжает оставаться вычислительной моделью, разработанной на базе актуальных физических теорий и имеющих место наблюдательных ограничений. Она не является точной реконструкцией событий минувшего времени, но даёт возможность оценивать различные варианты развития Вселенной и сопоставлять их с астрономическими наблюдениями.

Результаты исследования опубликованыв научном издании Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.