Едва заметная рябь стала галактиками: модель Lumina показала, как

Ранняя Вселенная была скучнее любой пустыни: почти однородный газ, одинаковый во все стороны. Почти, но не совсем. По нему шла едва различимая рябь, места чуть плотнее и чуть разреженнее соседних. Новая компьютерная модель Lumina впервые с такой подробностью показала, как из этой ряби выросли галактики. Попутно она выяснила, что одну из главных перестроек космоса устроили вовсе не звёзды.

Ньютон знал, что ровная Вселенная не останется ровной

В основе всей истории лежит закон всемирного тяготения Исаака Ньютона: любые две массы притягивают друг друга, и тем сильнее, чем они массивнее и ближе. Сегодня это звучит как школьная очевидность. В XVII веке это был переворот: небо считали отдельным миром с собственными правилами, а Ньютон заявил, что Луной и падающим яблоком управляет одна сила.

Из закона следует неожиданное. Идеально ровное распределение вещества неустойчиво. Где плотность хоть чуть выше, там притяжение чуть сильнее, туда стекается больше вещества, и перевес растёт сам собой. Так возникает пробка на шоссе: одна машина притормозила, сзади поджались остальные, и через несколько минут стоит километровый хвост, хотя дорога была свободной.

Сам Ньютон рассуждал, что равномерно рассыпанная материя неизбежно соберётся в отдельные сгустки. Но проследить этот процесс от ряби до галактик на бумаге невозможно. Нужна машина, которая проделает миллиарды вычислений за природу.

Lumina заводит часы в эпоху тёмных веков

Такую машину нашли в Окриджской национальной лаборатории в США. Международная группа запустила Lumina на суперкомпьютере Frontier, задействовав больше 15 тысяч видеокарт и 100 тысяч процессорных ядер. Модель охватывает огромный кубический участок космоса и при этом различает отдельные галактики и звёздные питомники.

Отсчёт начинается через 45 миллионов лет после Большого взрыва, в космические тёмные века, когда звёзд ещё нет. Программа одновременно следит за тремя героями: обычной материей, тёмной материей и излучением. На экране видно ровно то, что предсказывает закон тяготения: мелкие колебания стягиваются в плотные сгустки, а из сгустков рождаются первые звёздные скопления и галактики.

Но как только зажигаются первые звёзды, начинается цепная реакция, и гравитация перестаёт быть единственным игроком.

Первые звёзды прожгли пузыри в водородном тумане

После тёмных веков пространство заполнял нейтральный водород. Ультрафиолет молодых звёзд выбивал из его атомов электроны, и вокруг каждого очага света разрасталась ионизированная область. Астрономы называют это реионизацией.

В Lumina этот процесс выглядит как россыпь ярких пузырей среди тёмных нейтральных зон. Пузыри растут, сливаются и постепенно захватывают всё пространство. Получается, что крошечные неровности плотности определили не только то, где родились галактики, но и то, откуда пошла волна света, изменившая весь космос.

Долгое время на этом картина и заканчивалась. Однако во Вселенной есть второй по распространённости элемент, и его история оказалась совсем другой.

Гелий перестроили не звёзды, а чёрные дыры

Создатели Lumina первыми добавили в такой расчёт реионизацию гелия. Чтобы ободрать гелий, нужно излучение гораздо жёстче звёздного. В модели его дают сверхмассивные чёрные дыры в те периоды, когда они жадно поглощают вещество и вокруг них вспыхивает мощное свечение.

Раз модель считала всё сразу, роли удалось развести чётко. Ионизацией водорода управляли первые звёзды. Перестройку гелия целиком определяли чёрные дыры. Две волны, два разных виновника, и всё это выросло из одной и той же исходной ряби, которую гравитация сгустила в звёзды и в чудовищные центры галактик.

Остаётся понять, насколько такой виртуальной Вселенной можно верить.

Читайте также: 1200 ИИ-агентов сговорились без командира. Так устроен любой рой

Модель ещё предстоит сверить с небом

Lumina остаётся расчётом, а не наблюдением, и её выводы нужно проверять. Авторы открыли модель для учёных всего мира. Телескопы вроде «Джеймса Уэбба» присылают снимки древних объектов из глубокого прошлого, но каждый такой снимок показывает разрозненный кадр. Модель позволяет сравнить кадры с теорией и сложить их в одну физическую историю.

Ньютон вывел свой закон, глядя на падающие предметы и орбиты планет. Теперь тот же закон, переведённый в код и умноженный на 15 тысяч видеокарт, показывает, как почти пустое ровное пространство стало домом для галактик, звёзд и в итоге для нас. Всё, что вы видите вокруг, когда-то было лёгким сгущением, которое оказалось чуть плотнее соседнего. Больше историй о том, как устроен мир, ищите в разделе статьи.

Ещё в «Высоких технологиях»

Луна падает на Землю, как яблоко. Просто всё время промахивается«Снег» на экране старого телевизора отчасти был светом Большого взрываГормон роста не только растит мышцы во сне, но и будит мозг утром

Все материалы раздела →