Понимание "темной" Вселенной и образования изначальных галактик

Чтобы узнать больше о темной материи и темной энергии, астрофизики используют крупномасштабные обзоры Вселенной или подробные исследования свойств галактик. Но они могут интерпретировать свои наблюдения, только сравнивая их с предсказаниями теоретических моделей темной материи и темной энергии. Но эти симуляции требуют десятков миллионов вычислительных часов на суперкомпьютерах.

Коллаборация Extreme-Horizon смогла провести моделирование эволюции космических структур с первых мгновений после Большого взрыва до наших дней на суперкомпьютере Жолио-Кюри, который предлагает вычислительную мощность 22 петафлопс (22 x 10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду). Объем обработанных числовых данных превышал 3 ТБ (10¹² байт) на каждом этапе вычислений, что оправдывает использование новых методов записи (код RAMSES с адаптивным уточнением сетки) и чтения данных моделирования.

Первый результат моделирования касается интерпретации крупных структур далекой Вселенной: межгалактических водородных облаков. Астрофизики обнаруживают их, измеряя поглощение света квазарами, которые сильно светятся из-за наличия сверхмассивной черной дыры, притягивающей материю в аккреционный диск. Каждое из облаков вдоль луча зрения создает линию поглощения (Лайман-?) с определенным красным смещением из-за расширения Вселенной. Все эти линии образуют густой лес, показывая одномерное распределение водородных облаков и, следовательно, материи на расстояниях от 10 до 12 миллиардов световых лет.

Но множество черных дыр между квазарами и нами выделяют значительное количество энергии в межгалактическую среду, изменяя ее тепловое состояние и свойства леса Лайман-?. Физическая модель, использованная в симуляции Extreme-Horizon, подробно описывает эту обратную связь, которая искажает оценки космологических параметров на несколько процентов. Рассчитанный поправочный коэффициент будет иметь жизненно важное значение, особенно для эксперимента DESI (прибор для спектроскопии темной энергии), строящегося в Аризоне (США), потому что смещение может превышать 5%, тогда как целевая точность составляет 1%.

Высокое разрешение моделирования Extreme-Horizon в областях с низкой плотностью означало, что оно могло описывать аккрецию холодного газа галактиками и образование сверхкомпактных массивных галактик, когда Вселенной было всего 2-3 миллиарда лет. Эти нетипичные галактики, недавно обнаруженные с помощью радиотелескопа Alma (Атакамская большая [антенная] решётка миллиметрового диапазона) в Чили, образованы в результате быстрого скопления множества очень маленьких галактик. Распознать этот «улейный» метод выращивания удалось только благодаря исключительному разрешению Extreme-Horizon.

Суперкомпьютер Жолио-Кюри, разработанный компанией Atos для GENCI (французского центра высокопроизводительных вычислений), на основе архитектуры Atos BullSequana достиг пиковой вычислительной мощности 22 петафлопс в 2020 году.