Учёные создали Lumina, одну из крупнейших и самых подробных компьютерных моделей ранней Вселенной. Она охватывает куб со стороной около 1,5 млрд световых лет и прослеживает первые 2 млрд лет космической истории, когда рождались галактики и огромные объёмы газа постепенно менялись под действием их излучения. По объёму Lumina более чем в 100 раз превосходит предыдущие сопоставимые модели.
Исследователи смоделировали одновременно обычное вещество, тёмную материю и свет. Всего расчёт включает 432 млрд элементов, которые позволяют проследить, как вещество собиралось под действием гравитации, газ стекался в более плотные области, а внутри них появлялись звёзды и галактики. Большой размер куба помогает захватить и редкие объекты, которые в моделях меньшего масштаба могут просто не попасть в расчёт.
Главная задача Lumina касается реионизации. После остывания молодой Вселенной большая часть водорода оставалась электрически нейтральной. Позже первые звёзды начали испускать ультрафиолетовое излучение, которое выбивало электроны из атомов. Вокруг галактик росли ионизированные области, постепенно сливались друг с другом и меняли состояние газа между галактиками.
Lumina позволяет проследить этот процесс сразу для водорода и гелия. Расчёты показывают, что водород в основном ионизировало излучение звёзд. К концу этого периода активные ядра галактик давали около 15% потока ионизирующего излучения. Для следующего этапа, когда электроны теряли уже ионы гелия, требовались более энергичные фотоны. Их главным источником стали активные галактические ядра, питаемые растущими сверхмассивными чёрными дырами.
По расчётам авторов, в среднем крупные области пространства завершили реионизацию водорода при красном смещении около 5,2, однако отдельные островки нейтрального газа сохранялись до красного смещения примерно 4,75. Реионизация однократно ионизированного гелия началась позже и почти завершилась к красному смещению 3. Модель также воспроизводит температуру межгалактического газа и другие параметры, которые в целом согласуются с имеющимися астрономическими наблюдениями.
Для Lumina потребовалась значительная часть мощности суперкомпьютера Frontier. Исследователи задействовали 1884 вычислительных узла, 105 504 процессорных ядра и 7536 ускорителей AMD Instinct MI250X. В пиковый момент модель занимала около 600 ТБ оперативной памяти, а одна полная контрольная копия расчёта весила примерно 250 ТБ.
Теперь астрономы смогут сравнивать предсказания Lumina с наблюдениями далёких галактик и проверять, насколько современные модели описывают первые миллиарды лет после Большого взрыва. Большой объём особенно полезен для изучения редких ярких галактик, квазаров и крупных неоднородностей межгалактического газа. Авторы планируют открыть весь массив данных Lumina в 2028 году.