Космологические симуляции позволяют буквально воспроизводить развитие Вселенной от первых миллиардов лет после Большого взрыва до наших дней. Раньше основным рабочим инструментом были модели, учитывающие только темную материю, поскольку именно она формирует «каркас» космической структуры.
Вот только этого уже недостаточно: на масштабах меньше 10 мегапарсек в игру активно вступает обычное вещество: газ, звезды, сверхновые, черные дыры и выбросы энергии из активных ядер галактик. Все это заметно меняет распределение материи и влияет на наблюдаемые сигналы.
Поэтому ученым нужны гидродинамические симуляции, где моделируется не только темная материя, но и барионное вещество — привычная материя. Проблема в том, что подобные расчеты влетают в копеечку, требуя огромных вычислительных мощностей, памяти и места для хранения данных. Особенно сложно моделировать большие объемы Вселенной, где можно увидеть массивные скопления галактик и корректно описать космическую паутину на гигантских масштабах.
Проект FLAMINGO (Full-hydro Large-scale structure simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations) как раз создан для этой задачи. Его разработчики провели 22 гидродинамические симуляции и еще 16 расчетов только с гравитацией. В моделях учитывали охлаждение газа, звездообразование, химическое обогащение среды, вспышки сверхновых, рост сверхмассивных черных дыр.
Более того, нейтрино в этих расчетах моделировались как отдельные частицы, а не как упрощенный фон, что делает результаты особенно ценными для современной космологии. Самый масштабный расчет FLAMINGO-10k включал почти 1,2 триллиона частиц, что много больше, чем число звезд в Млечном Пути. Таким образом можно изучать не только отдельные галактики, но и статистику редких гигантских скоплений, а также влияние космологических параметров на структуру Вселенной в целом.
Чтобы сделать модель максимально реалистичной, исследователи специально калибровали ее по данным наблюдений. Они подбирали параметры так, чтобы симуляции воспроизводили современную функцию звездных масс галактик, содержание газа в скоплениях и массы черных дыр. Затем запускали варианты с разной космологией — например, с другой массой нейтрино, распадающейся темной материей или альтернативными параметрами темной энергии. Подход позволяет проверить, какие сценарии лучше совпадают с реальной Вселенной.
Авторы научной работы, принятой к публикации в журнале Astronomy & Computing, выложили в открытый доступ снимки эволюции Вселенной на разных красных смещениях, каталоги галактик и гало, карты всего неба в формате HEALPix, карты слабого гравитационного линзирования, рентгеновского излучения и многие другие продукты. Общий объем данных превышает 2,4 петабайта.
Поскольку скачать такие массивы информации целиком большинству исследователей невозможно, команда разработала специальный веб-сервис. Он позволяет не загружать всю симуляцию, а выбирать только нужные части данных — например, конкретную галактику или отдельное скопление. Это делает FLAMINGO доступной не только для крупных суперкомпьютерных центров, но и для обычных исследовательских групп.
Еще до официального релиза на основе FLAMINGO вышло уже около 70 рецензируемых научных исследований. Симуляция хорошо воспроизводит наблюдаемые свойства галактик, эволюцию звездообразования, масштабные структуры и многие другие параметры. Хотя модель, конечно, не идеальна, некоторые расхождения с наблюдениями остаются, она уже стала одним из главных инструментов современной космологии.
Отметим, FLAMINGO — не единственная крупная космологическая модель. Как ранее рассказывал Naked Science, эволюцию галактик отлично воспроизводят и другие проекты, включая гравитационную симуляцию Flagship 2 и недавно анонсированную серию симуляций COLIBRE.