О новой модели Вселенной рассказано в статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Это только первая часть исследования, в которой авторы сосредоточились на темной материи; вскоре они обещают выпустить каталоги виртуальных галактик и черных дыр.
Проклятые вопросы
Ученым, изучающим происхождение и эволюцию Вселенной, приходится отвечать на множество вопросов. Как возникли галактики, скопления галактик и еще более масштабные структуры? Из каких химических элементов состояло первичное вещество? Когда зажглись первые звезды и чем они отличались от нынешних? Этот список можно продолжать долго.
Разумеется, у специалистов есть теории, отвечающие на эти вопросы. Но любые теории нужно проверять наблюдением или экспериментом. Ставить над Вселенной опыты мы еще не научились — значит, остаются наблюдения. То есть из созданной теоретиком модели должны следовать нетривиальные факты, в которых может удостовериться наблюдатель.
Иногда это получается очень хорошо. Например, теоретики предсказали реликтовое излучение (свидетельство того, что новорожденная Вселенная была горячей) до того, как наблюдатели его открыли. Эксперты составили длинный список фактов, подтверждающих космологические теории.
Но некоторые модели очень трудно довести до конкретных ответов, которые можно сравнить с данными наблюдений. И один из таких «проклятых вопросов» — образование галактик и состоящих из них структур. Мы видим, что галактики собраны в скопления, а те — в еще более крупные образования, вплоть до грандиозной космической паутины, нити которой простираются на сотни миллионов световых лет.
Было бы преувеличением сказать, что ученые вообще ничего не знают о том, как возникло все это великолепие. И все-таки здесь много белых пятен и непроверенных допущений. Причина в том, что процесс, который пытаются описать теоретики, невероятно сложен. В нем участвуют огромные массы материи, которые притягивают друг друга, так что каждый комок вещества влияет на движение всех остальных. Уравнения, описывающие этот коллективный танец, так громоздки, что решить их не под силу самому гениальному математику.
Миллиард школьников вместо гения
Чтобы объяснить, как ученые обошли эту трудность, рассмотрим более простую задачу. Пусть у нас есть не целая Вселенная, а всего три тела (например, три звезды, планеты или галактики). Они движутся и притягивают друг друга своей гравитацией. Мы знаем их скорость и положение в пространстве в момент начала движения. Где каждый из членов этой троицы окажется через тысячу, миллион или миллиард лет?
Если бы эти объекты стояли на месте, прибитые гвоздями, вычислить силы их взаимного притяжения было бы школьной задачкой на закон всемирного тяготения. Вся трудность в том, что они непрерывно движутся, поэтому расстояния между ними (а значит, и силы их взаимного притяжения) все время меняются. Из-за этого вывести окончательную формулу, предсказывающую их движение, очень сложно. Недаром задача трех тел стала притчей во языцех.
К счастью, благодаря вычислительной технике появилась альтернатива пути «карандаш — бумага — формула». Мы можем заменить непрерывное движение чередой многочисленных мелких скачков и считать, что силы притяжения меняются только в точках между скачками. Тогда мы получаем ту самую задачу для школьника, только повторенную на каждом скачке, которых могут быть миллионы или миллиарды. А неутомимо повторять простейшую процедуру — это как раз то, в чем компьютеры не знают себе равных.
Таким путем можно рассчитать движение не только трех, но и любого количества тел, хватило бы вычислительной мощности. Этим и пользуются космологи, моделируя движение и распределение материи во всей Вселенной.
Акт творения
Правда, когда дело доходит до таких масштабов, возникают трудности. Во-первых, нужно учитывать расширение Вселенной и другие важные эффекты. А во-вторых, в космосе действительно много вещества. В наблюдаемой части Вселенной сотни миллиардов галактик. Даже если считать каждую из них отдельным телом, получается задача ста миллиардов тел, непростая даже по меркам самых современных суперкомпьютеров. Не говоря о том, что возникновение самих галактик не удастся смоделировать, если считать каждую из них единой и неделимой «элементарной частицей».
Возникает противоречие. С одной стороны, модель должна воспроизводить зарождение и развитие галактик. Значит, телом (или, как еще говорят, частицей) в задаче N тел должна быть достаточно мелкая часть галактики. Пусть не отдельная звезда, но и не облако вещества массой в половину Млечного Пути. С другой же стороны, «звездные острова» формируются не в изоляции. Они собираются в скопления, многократно сталкиваются и сливаются друг с другом, входят в состав «космической паутины» и так далее. Значит, из существующих в памяти компьютера частиц нужно слепить не галактику-другую, а огромное множество галактик, в идеале — большую часть наблюдаемого космоса.
До сих пор ни одна существующая модель не удовлетворяла сразу обоим требованиям. Астрономам просто не хватало вычислительных ресурсов, чтобы смоделировать нужное число частиц. Поэтому симуляции были либо крупномасштабными, либо детальными, но не одновременно.
Но теперь появилась модель Утюу (Uchuu), что можно перевести с японского как «космическое пространство». Говоря точнее, авторы разработали семейство из четырех симуляций: собственно Uchuu, mini-Uchuu, micro-Uchuu и Shin-Uchuu. Uchuu – самая крупная из них: она охватывает куб пространства со стороной 9,63 млрд световых лет. Это примерно три четверти дистанции до самых далеких известных галактик. Материя в этом объеме поделена на 2,1 трлн отдельных частиц массой около 500 млн солнц каждая. Много это или мало? Масса Млечного Пути — порядка триллиона солнечных, так что наша (довольно крупная) галактика поделена в Uchuu на несколько тысяч частиц. На карликовую же галактику массой в несколько миллиардов солнц придутся лишь считанные частицы — очень мало, но, по крайней мере, больше одной. Mini- и micro-Uchuu оперируют частицами такой же массы, но охватывают меньшее пространство. А вот Shin-Uchuu — по-настоящему подробная модель. Она покрывает куб со стороной «всего» 675 млн световых лет (для сравнения: диаметр Местной группы галактик, в которую входят Млечный Путь и Туманность Андромеды — порядка 10 млн световых лет). Зато материя в этом кубе разбита на 262 млрд частиц массой 1,3 млн солнц каждая, так что Млечный Путь представлен миллионом частиц, а карликовая галактика массой в миллиард солнц — тысячей. Четыре симуляции позволяют в нужный момент «подкрутить оптику» и рассматривать эволюцию Вселенной в разных масштабах. Моделирование охватывает практически все 13,8 млрд лет истории Вселенной, от Большого взрыва до наших дней.
Ученые использовали ATERUI II, самый мощный суперкомпьютер, когда-либо задействованный в астрономических исследованиях. Он имеет 40 200 ядер. Но даже у такого гиганта расчеты заняли 21 сутки чистого времени. А с учетом того, что научной группе было выделено лишь 48 часов его работы в месяц, расчеты затянулись на 10 месяцев. К слову, полученные данные доступны всем желающим, хотя вряд ли в них может разобраться кто-то, кроме специалистов.
Фундамент Вселенной
Для начала ученые сконцентрировались на распределении в пространстве темной материи. Эту субстанцию лучше было бы назвать прозрачной, или невидимой, материей: она не испускает и, похоже, не поглощает ни свет, ни другие излучения и потому не видна ни в какие телескопы. Зато она притягивает обычное вещество силой своей гравитации, благодаря чему мы и знаем о ее существовании.
Считается, что именно темная материя была дирижером и архитектором образования галактик, их скоплений и вообще всей наблюдаемой структуры Вселенной. Тому есть две причины. Во-первых, темной материи в несколько раз больше, чем видимого вещества. А во-вторых, дело в ее особых свойствах.
Большинство теоретиков считает, что обычные тусклые объекты (черные дыры, коричневые карлики и так далее) составляют лишь малую часть темной материи. Львиная же ее доля приходится на неизвестные элементарные частицы, которые, в отличие от обычных молекул или атомов, никогда не сталкиваются между собой. Поэтому облака темной материи легко сжимаются под действием собственной гравитации — в них не нарастает давление, противодействующее сжатию. Согласно современным теориям, именно темная материя первой собралась в массивные сгустки, ставшие зародышами галактик. А уж потом гравитация этих облаков притянула к себе обычный газ, из которого сформировались звезды и планеты.
В общем, начать сооружение компьютерной Вселенной с темной материи так же естественно, как строить дом с фундамента — на ней действительно все держится. Правда, вычисленное распределение темной материи нельзя просто взять и сравнить с реальным, ведь эта загадочная субстанция, повторим, не видна в телескопы.
Однако проверка космологических теорий, ради которой все и затевалось, откладывается ненадолго. Авторы уже готовят созданные по данным Uchuu карты гравитационного линзирования. Поясним, что это такое. Как известно со времен Эйнштейна, гравитация — это искривление пространства-времени. Поэтому лучи света вблизи массивного объекта движутся не по прямой. Фактически галактика или, скажем, облако темной материи искривляет лучи света, работая как линза. И вот это уже вполне наблюдаемый эффект. Существуют составленные наблюдателями карты линзирования, и их можно будет сравнить с теми, что будут вычислены благодаря Uchuu.
Но и это еще не все. В ближайшем будущем ученые обещают опубликовать каталог виртуальных галактик и их скоплений, которые должны были образоваться во вселенной Uchuu. А за ними последует и список сверхмассивных черных дыр в ядрах этих галактик. То и другое можно будет сопоставить с данными наблюдений. И тогда мы узнаем, правильно ли понимаем главные законы, по которым сформировалась Вселенная — уже не виртуальная, а реальная.