Според съвременните представи нашата Вселена се състои от 95% тъмна енергия и тъмна материя. Моделирането на динамиката на останалите 5%, които се отнасят към обичайната – барионна материя, се оказало сложна задача.
Астрофизици от Масачузетския технологичен институт начело с Марк Вогелсбергер са представили картина на еволюцията на Вселената. Учените са събрали всички съвременни знания за Космоса и неговия произход в един масив данни и направили уникален компютърен модел.
Резултатите от работата, описани в сп. Nature, потвърдили истинността на стандартния космически модел, тъй като компютърната Вселена се оказала много подобна на нашата собствена.
Проследяването на еволюцията на барионната материя е сложна задача – явленията в широк диапазон физически мащаби са въвлечени в процеса на формиране на галактики и по-големи структури на Вселената.
За да обхванат показаната част от Вселената, космолозите трябвало да опишат обемите на поне 100 млн. парсека (326 млн. светлинни години). Естественият мащаб на звездообразуването е 1 парсек, а процесът на акреция на вещество на черна дупка протича дори в по-малки мащаби.
Моделирането отдавна се използва за решаване на подобни задачи. Но досега дори на най-мощните суперкомпютри било невъзможно да се пусне достатъчно голяма симулация, за да се моделира мащабното разпределение на газа, звездите и тъмната материя, като се съхрани необходимото ниво на детайлизация за адекватно отразяване на отделни галактики.
Получилият названието Illustris модел съдържа над 10 млрд. отделни клетки, отразяващи газа в моделираните обеми, което е приблизително два пъти повече, отколкото са имали неговите предшественици.
Симулацията започва 12 млн. години след Големия взрив и се развива до сегашната епоха. В програмния код изследователите използвали нов метод за решаване на уравнения, описващи еволюцията на барионната материя в космическите структури.
В своя модел учените са обхванали широк кръг физически явления, сред които са охлаждането на газа, еволюцията на звездите, притока на енергия от взрив на свръхнови, производството на химични елементи, акрецията на вещество на свръхмасивни черни дупки. В съвкупност тези явления, които нелинейно влияят едно на друго, са довели еволюцията на наблюдаваната от нас Вселена.
Изработката на симулацията отнела приблизително 16 млн. часа процесорно време – това е около две хиляди години работа на един персонален компютър. Крайният резултат на модела поразително прилича на наблюдаваната Вселена.
Резултатите от имитационното наблюдение на свръхдълбокия космос в Illustris с лекота може да се сбъркат със снимки на реалната Вселена, получени от свръхдълбокия обзор на „Хъбъл“ (Hubble Ultra Deep Field). Изображенията на зародили се във виртуалната Вселена галактики са учудващо реалистични, което по-рано било възможно само при моделиране на отделни галактики.
Става дума не просто за визуално сходство – широкият спектър количествени показатели се съгласува с наблюдаваната реална Вселена.
Но Illustris не означава край на усъвършенстването на космологичните модели за образуването на галактиките. Изчислителният обем на модела все още не е достатъчно голям за моделиране на редки космологични обекти, включително черни дупки в ранната Вселена. Нивото на детайлизация не е достатъчно за изследване на най-бледите галактики, както и на тези, които заобикалят Млечния път.
Звездообразуването в галактиките с ниска маса протича по-рано и по-бързо, отколкото в реалната Вселена, което изисква решение. Все още далечна мечта е възможността да се достигнат мащаби, необходими за пряко моделиране на образуването на звезди в симулация, обхващаща хиляди галактики, подобни на Млечния път.
