Епоха реіонізації, процес, що відбувався на початку існування Всесвіту, був відтворений з безпрецедентною роздільною здатністю в рамках проекту Cosmic Dawn III.
Між 400 млн. і першим мільярдом років існування матеріального космосу нейтральне догалактичне середовище було іонізоване ультрафіолетовим випромінюванням, яке випромінювали перші зірки. Розуміння природи цього часу, званого "епохою реіонізації" або EoR, дасть змогу пов'язати фізику сучасного Всесвіту з Великим вибухом.
"Епоха реіонізації є останнім великим переходом Всесвіту в історії космічної еволюції, - каже астрофізик-теоретик Пол Шапіро з Техаського університету в Остіні, - від фази, коли весь простір був заповнений однорідним, майже безбарвним газом, до фази, коли виникла структура, з утворенням перших галактик і, всередині них, зірок".
Пряме спостереження віддалених джерел реіонізації є складним завданням, і досі їхнє виявлення обмежене найяскравішими галактиками. Фізики використовують комп'ютерні симуляції для відтворення EoR.
На квітневому засіданні Американського фізичного товариства 2022 року Шапіро презентував основні моменти і прогнози спостережень у рамках проєкту "Космічний світанок III".
Моделювання EoR за допомогою CoDa III потребувало великих обчислювальних витрат. З одним трильйоном обчислювальних елементів (8 192 кубічних частинок темної матерії і 8 192 кубічних осередків газу і випромінювання в ділянці розміром 300 мільйонів світлових років) модель мала досить високу роздільну здатність, щоб відстежити всі новоутворені галактичні ореоли, які спричинили реіонізацію в цьому об'ємі.
Моделювання проводили протягом 10 днів на 131 072 процесорах, з'єднаних із 24 576 графічними процесорами на масивно-паралельному суперкомп'ютері Summit в Ок-Ріджській національній лабораторії.
Розмір - не єдина примітна особливість симулятора CoDa III, каже Шапіро. Відстеження еволюції формування галактик і реіонізації вимагає взаємного зворотного зв'язку: іонізуюче випромінювання, що просочується з галактик, мало нагрівати міжгалактичне середовище.
Це додаткове тепло, своєю чергою, створило достатній тиск на газ, щоб протистояти гравітаційному тяжінню прилеглих галактик. Оскільки газ мав підживлювати зореутворення, чистим результатом цього процесу є блокування нових зірок.
Попередні моделі розділяли ці ефекти, але Шапіро каже, що CoDa III може моделювати гравітаційну динаміку газу і матерії разом з урахуванням іонізуючого випромінювання і його впливу на газ. Без радіаційного перенесення час в еволюційній моделі довелося б розділити на досить маленькі кроки, щоб уявити мінливі щільності газу, зірок і темної матерії.
Додавання цієї петлі зворотного зв'язку означає, що тимчасові кроки повинні бути в сотні разів меншими, щоб вловити високу швидкість "поверхонь іонізації" - іонізуючих бульбашок, що швидко розширюються та вириваються з новостворених галактик і поширюються Всесвітом.
Пов'язані процесори та GPU у суперкомп'ютері Summit дали змогу розв'язати ці рівняння майже так само швидко, як якби модель не включала радіацію.
Зокрема, CoDa III розв'язує проблему між теорією і даними спостережень, що виникла в дослідженнях EoR, а саме: теоретичні передбачення попередніх моделей не узгоджуються зі спостереженнями спектрів поглинання квазарів. Проблема зникає в CoDa III, оскільки симуляція дає послідовні передбачення, які узгоджуються з останніми спостереженнями.
Шапіро прогнозує, що в найближчі кілька років вивчення ЕоР залишиться одним з основних напрямків астрофізичних досліджень. Космічні обсерваторії, такі як "Джеймса Вебб" і "Ненсі Грейс Роман", запуск якого заплановано на 2027 рік, а також наземні проєкти, розширять можливості астрономів зі спостереження за віддаленими факторами реіонізації.
Поточні та майбутні радіодослідження можуть допомогти дослідникам краще визначити неоднорідний і неоднорідний спосіб іонізації міжгалактичного середовища.
Моделювання, подібне до Cosmic Dawn, за словами Шапіро, забезпечує теоретичну основу спостережень за допомогою складних телескопів.
За матеріалами Американського фізичного товариства
