История времени: суперкомпьютер вычислил начало Вселенной

Компьютерные симуляции, проведенные в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего, Калифорния, а также в других научных центрах, позволили восстановить историю раннего этапа нашей Вселенной

Профессор Майкл Норман из лаборатории вычислительной астрофизики Университета Калифорнии в Сан-Диего опубликовал обзор компьютерных симуляций эволюции ранней Вселенной, выполненной в суперкомпьютерном центре Сан Диего за последние годы. Эта работа позволяет восстановить один из самых загадочных этапов мироздания — время, когда из облака горячего газа наша Вселенная превратилась в то, что мы видим сейчас.

О том, как начиналась Вселенная, многие знают из замечательной книги Стивена Хокинга «Краткая история времени». После Большого взрыва мир представлял собой плотное и горячее месиво из всевозможных элементарных частиц. Через 380 000 лет эта материя остыла настолько, что электроны соединились с протонами, образовав атомы водорода. Это событие называется «рекомбинацией». Мир, в котором до этого любое электромагнитное излучение тотчас же поглощалось, внезапно стал прозрачным для света. Однако ничего особенно интересного в нем рассмотреть было нельзя — за исключением отсветов того самого горячего газа, испущенных за мгновения до рекомбинации. Астрономы и сейчас могут регистрировать эти отсветы, и они образуют так называемое «реликтовое излучение», несущее информацию о раннем детстве Вселенной.

Однако после рекомбинации мироздание продолжало развиваться. Газ начал собираться в сгустки под действием гравитации, пока наконец из него не сформировались первые звезды — огромные и очень яркие. Стали образовываться первые галактики. Их свет — в основном ультрафиолетовое излучение — вновь начал отрывать электроны от протонов. Этот процесс называется «реионизацией».

Период развития Вселенной от образования самых первых звезд до «реионизации» получил в космологии поэтичное название «космический рассвет» — Cosmic Dawn. К концу этого миллиарда лет звездное небо уже выглядело в целом очень похоже на то, что мы видим сейчас у себя над головами.

К сожалению, наблюдать этот этап развития космоса астрономам пока не под силу. Они могут регистрировать и изучать реликтовое излучение, несущее информацию о Вселенной моложе 380 000 лет, а также излучение самых дальних галактик — космический телескоп Hubble видит их в тот момент времени, когда Вселенная была чуть старше миллиарда лет, то есть в самом конце эры «космического рассвета. Однако о том, что происходило в этом самом интересном промежутке — когда небо впервые озарилось светом звезд — астрономические наблюдения пока ничего сообщить не могут, и космологи полагаются только на космические симуляции.

Взрослеть вместе с компьютерами

Чтобы воссоздать ранние этапы истории Вселенной, в конце 1990-х годов была разработана компьютерная программа Enzo — открытый код, в дальнейшем усовершенствованный тысячами исследователей и любителей-энтузиастов.

Делает она приблизительно вот что: берет кубический объем пространства, заполненный газом, и решает уравнения, определяющие, как этот газ себя поведет. Тогда, в 1990-х годах, быстродействие компьютеров позволяло решить подобные задачи лишь весьма приблизительно. Однако с конца 1990-х годов действовал «Закон Мура для суперкомпьютеров»: быстродействие вычислительных машин удваивалось каждые 18 месяцев. Расчет показывает, что за 18 лет с момента публикации первых программ Enzo расчеты должны были ускориться в 4000 раз. На деле, по оценкам профессора Нормана, развитие шло чуть быстрее, чем предполагает закон Мура, и ускорение составило около 10 000 раз. Тем временем развивалось и само программное обеспечение Enzo. В результате к настоящему моменту удалось рассчитать все события, приведшие к образованию нашей Вселенной, с беспрецедентной точностью.

Профессор Норман демонстрирует возможности метода, предлагая сравнить реальное изображение удаленной галактики, полученное с помощью телескопа Hubble, с компьютерным предсказанием, как должна была бы выглядеть эта галактика — вернее, соответствующий объем газа, на протяжении миллиарда лет эволюционировавший по законам физики. Картинки практически идентичны с единственным исключением: компьютерная симуляция богаче деталями, а полученное с телескопа изображение более размыто (все же речь идет об объекте, имеющим показатель красного смещения z=15, то есть свет его был испущен в тот момент, когда Вселенная была в 15 раз меньше, чем сейчас).

Карликовые галактики и черные дыры

Компьютерная симуляция помогла восстановить многие интересные черты эволюции Вселенной. Первоначально облака водорода сгустились и дали начало одиночным, очень массивным (в сотни раз тяжелее Солнца) и ярким, звездам. Внутри таких звезд сформировались первые тяжелые элементы, литий и бериллий. Однако звезды-гиганты жили недолго, и в момент их смерти родились — и распространились по космосу — все химические элементы вплоть до железа. Эти элементы участвовали в образовании нового поколения звезд.

Профессор Норман поясняет, что сверхмассивные звезды первого поколения могут образовываться до сих пор в небольших галактиках, где есть достаточно темной материи, чтобы охладить облака гелия и водорода. Однако в условиях, когда газы ионизируются светом уже существующих звезд, результатом эволюции такого облака будет не рождение звезд, а гравитационный коллапс в сверхмассивную черную дыру.

Существование металлических примесей позволяет сформировать звезды, которые будут гораздо мельче, но многочисленней, чем звезды первого поколения. На этом этапе возникают объекты, которые уже можно назвать галактиками — сгустки темной материи, звезд и обогащенного металлами газа. Эти галактики меньше тех, что мы наблюдаем сейчас: интенсивное излучение молодых звезд рассеивает газ из районов активного звездообразования. Именно излучение таких галактик и доводит до конца процесс «реионизации» — на этом эру «космического рассвета» можно считать завершенной. О том, что случилось дальше, мы уже можем узнать, просто наблюдая в телескопы далекие окраины Вселенной.

Каков практический смысл подобных исследований? По словам профессора Нормана, главная их цель — утоление научного любопытства. Другая цель — проверка и уточнение законов физики: сравнение результатов компьютерной симуляции и наблюдаемых объектов во Вселенной позволяет делать заключения о том, насколько точны предпосылки, лежащие в основании моделей. Симуляции также позволят объяснить и интерпретировать будущие наблюдения астрономов.

Наконец, есть и третий аргумент: подобные исследования подталкивают как развитие компьютерной техники, так и разработку нового ПО. Вспомним, что развитие интернета началось с создания сети ARPANET, предназначенной исключительно для нужд научного исследования. К каким будущим технологическим прорывам приведут усилия людей, занимающимися компьютерной симуляцией ранней Вселенной, пока предсказать невозможно. Очевидно лишь, что любопытство ученых лежит в основе всего развития технологий, и такая ситуация сохранится в будущем.

Источник: forbes.ru

8 Comments on “История времени: суперкомпьютер вычислил начало Вселенной”

  1. Youre so cool! I dont suppose Ive read anything like this before. So good to seek out any individual with some authentic ideas on this subject. realy thank you for starting this up. this web site is one thing that’s wanted on the web, somebody with a little originality. helpful job for bringing something new to the web!

  2. This is the suitable blog for anybody who wants to search out out about this topic. You realize so much its virtually hard to argue with you (not that I truly would need…HaHa). You undoubtedly put a brand new spin on a subject thats been written about for years. Nice stuff, simply great!

  3. There are some attention-grabbing cut-off dates in this article however I don’t know if I see all of them heart to heart. There may be some validity however I will take maintain opinion until I look into it further. Good article , thanks and we would like extra! Added to FeedBurner as well

  4. There are some attention-grabbing cut-off dates in this article however I don’t know if I see all of them heart to heart. There may be some validity however I will take maintain opinion until I look into it further. Good article , thanks and we would like extra! Added to FeedBurner as well

  5. Can I just say what a reduction to find someone who actually knows what theyre speaking about on the internet. You positively know learn how to carry a difficulty to light and make it important. Extra people must learn this and perceive this side of the story. I cant imagine youre not more common since you undoubtedly have the gift.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *