|
Отслеживание эволюции черных дыр и галактик
|
|
|
|
В темном ночном небе мерцают далекие звезды, рассказывая о грандиозных космических событиях, почти таких же древних, как само время. Новые данные, полученные с помощью таких инструментов, как космический телескоп Джеймса Уэбба, помогают астрофизикам исследовать глубинные космические загадки, в том числе эволюцию черных дыр и галактик.
|
|
|
|
Используя суперкомпьютеры для обработки данных, исследователи из нескольких научных учреждений совместно завершили крупнейшее космологическое гидродинамическое моделирование под названием ASTRID — ошеломляющий вычислительный эксперимент, в ходе которого была прослежена эволюция Вселенной с самых ранних времен до наших дней.
|
|
|
|
«Самое важное в нашем недавнем исследовании — это то, что мы довели моделирование ASTRID до z = 0 и что эти данные теперь доступны», — говорит Ихао Чжоу, аспирант кафедры физики Университета Карнеги — Меллона (CMU). Чжоу и его коллеги опубликовали результаты своего исследования в журнале The Astrophysical Journal в марте 2026 года.
|
|
|
|
Термин «z» обозначает красное смещение света звезд, при котором свет смещается в красную часть спектра по мере удаления его источника от наблюдателя. Большое красное смещение соответствует большим расстояниям и более ранним периодам в истории Вселенной, когда она быстро расширялась вскоре после Большого взрыва.
|
|
|
|
|
|
|
Команда Чжоу начала свои космологические симуляции с z = 99, охватывая период «космического рассвета» Вселенной. ASTRID проследила эволюцию галактических структур и чёрных дыр на протяжении 13,5 миллиардов лет до z = 0, то есть до наших дней.
|
|
|
|
«У нас есть очень масштабная симуляция части Вселенной, которая позволяет проследить за ростом чёрных дыр с момента их образования до наших дней, а также за формированием галактик, тоже с очень ранних времён», — рассказала соавтор исследования и руководитель проекта ASTRID Тициана Ди Маттео, профессор физики и директор Центра космологии и астрофизики Маквильямса при Университете Карнеги — Меллона.
|
|
Суперкомпьютер Frontera: виртуальная вселенная беспрецедентного масштаба
|
|
|
|
Ди Маттео использовала суперкомпьютер Frontera в Техасском центре перспективных вычислений (TACC). Благодаря ему команда ASTRID получила вычислительные мощности, необходимые для моделирования 166 миллиардов частиц в пространстве объёмом 815 миллионов световых лет — это огромная виртуальная лаборатория для изучения Вселенной.
|
|
|
|
Кроме того, исследователи решали сложные физические задачи, связанные с гравитацией и гидродинамикой, для каждого временного шага, что потребовало создания «деревьев гравитации» для эффективного расчёта дальнодействующих и короткодействующих гравитационных сил между миллиардами частиц.
|
|
|
|
«Это очень ресурсоёмкий процесс, и справиться с ним могут только такие крупные вычислительные кластеры, как Frontera», — говорит Чжоу.
|
|
|
|
Процесс ввода и вывода данных для ASTRID также требовал больших вычислительных мощностей: каждый снимок симуляции занимал 30 терабайт. «Архивная система Ranch в TACC сохранила данные ASTRID», — добавляет Чжоу.
|
|
|
|
«Национальный научный фонд предоставил нам доступ к новейшим ресурсам Frontera, — говорит Ди Маттео. — Благодаря этому мы смогли смоделировать самый большой объём с самым высоким разрешением в диапазоне масс в семь порядков и с учётом всех физических факторов».
|
|
|
|
Команда ASTRID планирует проводить будущие симуляции на вычислительном центре TACC с использованием суперкомпьютера Horizon, который, как ожидается, будет введён в эксплуатацию в конце 2026 года. Horizon будет развёрнут в два этапа: на первом этапе будут использоваться графические процессоры (GPU), а на втором — центральные процессоры (CPU).
|
|
|
|
«Наш текущий код был разработан для работы только на центральных процессорах, — говорит Чжоу. — Сейчас мы занимаемся совместной разработкой, чтобы доработать наши модели гравитационной и чёрной дыры обратной связи и сделать программное обеспечение для симуляций более подходящим для Horizon».
|
|
|
|
«Мы очень рады, что готовы к запуску на Horizon», — добавляет Ди Маттео.
|
|
|
|
Время для запуска ASTRID выбрано как нельзя лучше.
|
|
|
|
По мере поступления новых данных от научных миссий, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), который исследует самые ранние стадии формирования галактик и черных дыр, перед учеными встает все больше вопросов. Наблюдения с помощью телескопа JWST показывают, что в ранней Вселенной массивные черные дыры были гораздо более распространенным явлением, чем считалось ранее, что ставит под сомнение существующие теории о том, как эти космические гиганты формировались и так быстро росли.
|
|
|
|
«Мы можем изучить вопросы, возникающие в связи с данными, полученными с помощью телескопа JWST, с помощью этого масштабного моделирования ASTRID с потрясающим разрешением и физической реалистичностью, которое позволяет нам делать прогнозы и разобраться в некоторых из существующих загадок», — говорит Ди Маттео.
|
|
|
|
Моделирование ASTRID позволяет проследить эволюцию Вселенной на протяжении всей ее истории и выявить периоды, когда слияния черных дыр происходили наиболее часто.
|
|
|
|
«Нас интересуют слияния черных дыр, потому что, даже если мы не видим их света или процесса аккреции, у нас теперь есть детекторы, которые могут регистрировать такие события, как слияния черных дыр, — объясняет Ди Маттео. — Космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA), запуск которой запланирован на 2035 год, сможет обнаружить большинство случаев слияния массивных черных дыр в ранней Вселенной».
|
|
|
|
ASTRID включает в себя модели динамического трения, которые позволяют более точно определить, как черная дыра постепенно смещается к центру галактики при слиянии галактик.
|
|
|
|
«В наших симуляциях используются реалистичные орбиты слияния черных дыр и более точные оценки времени слияния черных дыр», — добавил Ди Маттео.
|
|
Прислушиваясь к ряби во Вселенной
|
|
|
|
Симуляции ASTRID также позволяют прогнозировать появление гравитационных волн, которые впервые были зарегистрированы в 2015 году коллаборациями LIGO и Virgo, получившими Нобелевскую премию. Поскольку гравитационные волны могут проходить сквозь материю, препятствующую прохождению света, они открывают перед астрофизиками новые возможности для изучения самых далеких и скрытых от глаз событий во Вселенной, в том числе слияний массивных черных дыр. Ди Маттео, Чжоу и их коллеги используют ASTRID для разработки планов по созданию будущих детекторов гравитационных волн в рамках проектов LISA и Pulsar Timing Array.
|
|
|
|
«С помощью ASTRID мы прогнозируем, в каких средах могут находиться источники гравитационных волн, которые с наибольшей вероятностью будут обнаружены. В будущем люди смогут использовать наши прогнозы для обнаружения источников гравитационных волн», — пояснил Чжоу.
|
|
|
|
Более того, команда ASTRID составила прогнозы эволюции галактик для крупных текущих исследований, таких как «Наследие пространства и времени» (LSST) Обсерватории Веры Рубин.
|
|
|
|
«Впервые ASTRID позволяет нам запечатлеть этот этап процесса слияния галактик», — говорит Ди Маттео. ASTRID моделирует центральные чёрные дыры галактик, которые сближаются друг с другом. «В конце концов они сливаются и генерируют гравитационно-волновой сигнал, который мы можем воспроизвести в симуляции, как если бы мы уже наблюдали этот сигнал».
|
|
Замочная скважина Вселенной
|
|
|
|
Новые данные, полученные с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», свидетельствуют о большом количестве чёрных дыр, которые образовались в ранней Вселенной и эволюционируют вместе с ней практически в каждой массивной галактике.
|
|
|
|
«Массивные чёрные дыры — ключ к пониманию структуры Вселенной, и я бы сказал, что это самая интересная её часть», — заявил Чжоу.
|
|
|
|
Чёрные дыры — не просто космические поглотители: они могут трансформировать окружающие их галактики. По мере того как они растут за счёт аккреции газа, они высвобождают огромное количество энергии в виде излучения и мощных джетов, влияя на процесс формирования звёзд и в конечном счёте определяя цвет, структуру и эволюцию практически каждой массивной галактики во Вселенной.
|
|
|
|
«Наш главный вопрос заключается в том, как и в результате каких физических процессов сформировались „зародыши“ чёрных дыр в ранней Вселенной», — говорит Ди Маттео. "Моделирование позволяет нам поэкспериментировать с исходными моделями и посмотреть на последствия, которые раскрывают физические механизмы, лежащие в основе прогнозов, - то, что могут наблюдать телескопы текущего и следующего поколений или детекторы гравитационных волн".
|
|
|
|
Суперкомпьютеры преобразуют законы физики в живую, развивающуюся вселенную, которую мы можем создавать, наблюдать и исследовать.
|
|
|
|
"Мы не можем воспроизвести Вселенную для изучения глубокого прошлого, и мы ограничены в непосредственном наблюдении далеких галактик, потому что у нас пока не очень хорошее разрешение", - заключил Чжоу. "С помощью суперкомпьютеров мы можем построить числовую вселенную, которая отслеживает гравитацию и эволюцию звезд и массивных черных дыр на протяжении всего космического времени. Суперкомпьютеры помогают нам связать нашу теорию с реальными наблюдениями".
|
|
|
|
Источник
|
