Учёные создали компьютерную модель Lumina, которая позволила проследить первые два миллиарда лет истории Вселенной и выяснить, как космос вышел из эпохи тьмы. Для расчётов исследователи разделили гигантское пространство шириной 1,6 миллиарда световых лет на 432 миллиарда частиц и газовых ячеек. Моделирование показало, что первые звёзды помогли водороду перестать поглощать ультрафиолетовое излучение, а сверхмассивные чёрные дыры позднее изменили состояние гелия.
После Большого взрыва Вселенная была заполнена невероятно горячим веществом. Постепенно космос остывал, и примерно через 380 тысяч лет электроны смогли соединиться с атомными ядрами. Появились нейтральные атомы водорода, но звёзд ещё не существовало. Началась эпоха космической тьмы, когда пространство оставалось практически без собственных источников света.
Перемены начались, когда гравитация собрала газ в плотные облака, внутри которых зажглись первые звёзды. Молодые светила испускали мощное ультрафиолетовое излучение, выбивавшее электроны из атомов водорода. Физики называют процесс повторной ионизацией. Вокруг первых галактик возникали огромные области ионизированного газа, которые расширялись и постепенно сливались. Межгалактическое пространство становилось всё более прозрачным для ультрафиолетового света.
Исследователи смогли подробно воспроизвести происходившие изменения с помощью модели Lumina. Расчёты показали, что водород менял своё состояние постепенно и неравномерно. Одни области освобождались от нейтрального газа значительно раньше других. Большая часть пространства прошла повторную ионизацию, когда возраст Вселенной составлял около 1,1 миллиарда лет, однако отдельные скопления нейтрального водорода сохранялись ещё некоторое время.
С гелием история оказалась интереснее. После первого этапа ионизации у гелия оставался ещё один электрон, который удерживался гораздо сильнее. Обычным звёздам не хватало достаточно мощного излучения, чтобы завершить превращение в масштабах всей Вселенной. Главную роль, согласно расчётам, сыграли сверхмассивные чёрные дыры в центрах молодых галактик.
Когда чёрные дыры активно поглощали окружающее вещество, газ вокруг них разогревался и испускал огромное количество энергии. Мощное излучение достигало далёких областей космоса и выбивало оставшиеся электроны из ионов гелия. Процесс растянулся на сотни миллионов лет и почти завершился, когда Вселенной исполнилось примерно 2,1 миллиарда лет. Излучение чёрных дыр также заметно нагрело межгалактический газ.
Главная особенность Lumina заключается в масштабе. Прежде исследователям приходилось выбирать между подробным моделированием небольших участков космоса и менее точными расчётами огромных пространств. Новая модель позволила совместить оба подхода. По объёму охваченного пространства Lumina примерно в сто раз превосходит предыдущие сопоставимые разработки, а её детализации хватает, чтобы проследить формирование отдельных галактик.
Для вычислений учёные задействовали суперкомпьютер Frontier. Одновременно работали более 105 тысяч процессорных ядер и свыше 7500 графических ускорителей. Машина рассчитывала, как движется обычное вещество и тёмная материя, где рождаются звёзды, как растут галактики и каким образом излучение меняет окружающий газ. Отправной точкой стал период примерно через 45 миллионов лет после Большого взрыва.
У полученной картины есть важное ограничение. Lumina показывает развитие Вселенной по известным законам физики и заданным исследователями условиям, поэтому расчёты ещё нельзя считать окончательным ответом на все вопросы о первых галактиках. Однако модель уже воспроизводит ряд характеристик раннего космоса, которые астрономы измерили с помощью телескопов.
Теперь учёные смогут сравнивать результаты моделирования с наблюдениями самых далёких галактик и проверять, насколько точно понимают происходившие миллиарды лет назад процессы. Особенно интересны первые сверхмассивные чёрные дыры и редкие яркие галактики, которых в небольших компьютерных моделях может просто не оказаться. Lumina даёт возможность проследить их развитие вместе с окружающим космосом и разобраться, как первые источники излучения изменили целую Вселенную.