Первые звёзды не просто зажглись в темноте. Их ультрафиолет начал менять водород вокруг: атомы теряли электроны, а свету становилось проще пройти сквозь газ. Эту перемену называют реионизацией. Симуляция Lumina прослеживает, как она могла идти, от отдельных галактик до огромного участка космоса. Это расчёт, а не реконструкция уже увиденных телескопом событий.[1][2]
О Lumina рассказали в MIT News 26 октября — в день, когда статья авторов вышла в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.[1][2] В модели связаны газ, тёмная материя, звёзды, галактики и излучение.[2] Авторы взяли модель формирования галактик IllustrisTNG и дополнили её расчётом переноса света. Фотоны считают в шести частотных группах, а для вычислений используют графические процессоры.[2] Саму симуляцию запускали на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж.[1]
Что значит «реионизация»
После Большого взрыва вещество остывало.[2] Водород стал нейтральным и поглощал излучение, поэтому ранний космос называют «тёмными веками». Когда появились звёзды, их ультрафиолет выбивал электроны из атомов водорода. Газ снова становился ионизованным, и излучение могло распространяться дальше.[1][2]
Для гелия требуются более энергичные фотоны. По расчётам Lumina, водород в основном ионизировали молодые звёзды и галактики, а гелий — активные сверхмассивные чёрные дыры, или квазары.[2] Этот вывод зависит от того, какие процессы заложены в модель; это не прямое наблюдение давнего космоса.[2]
Полтриллиона элементов — и зачем столько
Симуляция охватывает куб со стороной 500 сопутствующих мегапарсеков, около 1,6 миллиарда световых лет.[1][2] Сопутствующая мера нужна, чтобы сравнивать размеры в расширяющейся Вселенной, не привязываясь к одной эпохе.[2] Внутри 6000³ газовых ячеек и столько же частиц тёмной материи. Всего — 432 миллиарда расчётных элементов; MIT News округляет число до половины триллиона.[1][2]
Большой объём нужен не ради рекорда. В небольшой модели редкие яркие квазары могут вообще не попасть в расчёт. Lumina примерно в сто раз объёмнее прежних симуляций и примерно в 30 раз детальнее.[1][2] Её расчёт начинается через 45 миллионов лет после Большого взрыва и доходит до красного смещения z=3.[2]
Красное смещение показывает, насколько растянулся свет из-за расширения Вселенной. Поэтому z=3 — не календарная дата, а отметка более позднего этапа космической истории, чем появление первых звёзд.[2]
Что модель предсказывает
В половине подобластей симуляции водород стал полностью ионизован примерно к z≈5,2. Отдельные нейтральные участки сохранялись примерно до z≈4,75; ионизация гелия почти завершилась к z=3.[2] Расчёт показывает и разницу между участками: в одном водород уже прозрачен для излучения, в другом ещё остаются нейтральные области. Это результат модели, а не показания телескопа.
Авторы сопоставили модель с наблюдениями — например, с оценками температуры межгалактического газа и рассеяния реликтового излучения. По ряду показателей они сообщают о согласии, но это ещё не значит, что история реионизации полностью разгадана.[2] Новые данные могут изменить картину.
Проверять расчёты будут по излучению далёких галактик, спектрам квазаров и будущим радиокартам нейтрального водорода.[1][2] Масштаб тут важен по простой причине: в большой выборке выше шанс поймать редкие источники, которые в небольшом объёме легко пропустить.
Полные массивы Lumina пока доступны по запросу у команды проекта.[3] На сайте при этом открыты сводные таблицы некоторых результатов, включая историю ионизации водорода и гелия.[3] Статью можно прочитать, но проверить каждый шаг расчёта без доступа к полным данным пока не получится.
Lumina не показывает фотографию ранней Вселенной. Она связывает процессы, которые обычно приходится изучать порознь, и выдаёт предсказания, с которыми можно сверять будущие наблюдения. Именно это и делает её полезной: не готовый ответ, а проверяемую модель космического рассвета.[1][2]