Космический симулятор FLAMINGO: гигантский шаг к пониманию тёмной материи

Чтобы понять устройство космоса, недостаточно наблюдать — нужно уметь моделировать. Именно эту задачу решает проект FLAMINGO (Full-hydro Large-scale structure simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations). Разработчики провели 22 гидродинамические симуляции и ещё 16 чисто гравитационных расчётов, воспроизводя эволюцию Вселенной от первых миллиардов лет после Большого взрыва до наших дней.

Зачем понадобилась гидродинамика?

Раньше космологические модели в основном учитывали только тёмную материю — она создаёт «скелет» крупномасштабной структуры. Однако на масштабах меньше 10 мегапарсек ключевую роль начинает играть обычное вещество: газ, звёзды, сверхновые, чёрные дыры и энергия активных галактических ядер. Эти компоненты меняют распределение материи и влияют на наблюдаемые сигналы. Поэтому учёным понадобились гидродинамические расчёты, где моделируется и тёмная материя, и барионное вещество одновременно.

Проблема в том, что такие вычисления требуют огромных ресурсов — колоссальной вычислительной мощности, памяти и места для хранения. Особенно сложно моделировать большие объёмы Вселенной, чтобы увидеть массивные скопления галактик и описать космическую паутину на гигантских масштабах. FLAMINGO справляется с этой задачей, используя 1,2 триллиона частиц в самом масштабном расчёте (FLAMINGO-10k) — больше, чем число звёзд в Млечном Пути.

Как всё устроено и почему это важно

В симуляциях учитывается охлаждение газа, звездообразование, химическое обогащение среды, вспышки сверхновых, рост сверхмассивных чёрных дыр. Примечательно, что нейтрино в этих расчётах моделировались как отдельные частицы, а не как упрощённый фон, что делает результаты особенно ценными. Чтобы модель была максимально реалистичной, исследователи калибровали её по данным наблюдений: подбирали параметры так, чтобы симуляции воспроизводили современную функцию звёздных масс галактик, содержание газа в скоплениях и массы чёрных дыр. Затем запускали варианты с разной космологией — например, с другой массой нейтрино, распадающейся тёмной материей или альтернативными параметрами тёмной энергии. Такой подход позволяет проверить, какие сценарии лучше совпадают с реальной Вселенной.

Авторы работы, принятой к публикации в журнале Astronomy & Computing, выложили в открытый доступ множество данных: снимки эволюции Вселенной на разных красных смещениях, каталоги галактик и гало, карты всего неба в формате HEALPix, карты слабого гравитационного линзирования, рентгеновского излучения и другие продукты. Общий объём данных превышает 2,4 петабайта. Поскольку скачать такие массивы целиком большинству исследователей невозможно, команда разработала специальный веб-сервис, позволяющий выбирать только нужные части данных — например, конкретную галактику или скопление.

Ещё до официального релиза на основе FLAMINGO вышло около 70 рецензируемых научных исследований. Симуляция хорошо воспроизводит наблюдаемые свойства галактик, эволюцию звездообразования и масштабные структуры. Хотя модель не идеальна и некоторые расхождения с наблюдениями остаются, она уже стала одним из главных инструментов современной космологии.

FLAMINGO — не единственная крупная космологическая модель. Эволюцию галактик отлично воспроизводят и другие проекты, включая гравитационную симуляцию Flagship 2 и недавно анонсированную серию COLIBRE. Но открытый доступ и уникальный масштаб FLAMINGO делают её особенно ценной для астрономов по всему миру.