Крупномасштабная структура Вселенной является одной из самых обсуждаемых тем в современной астрофизике. Непосредственные наблюдения далеких объектов затруднены из-за поглощения в плоскости Млечного Пути, поэтому одним из основных методов исследования стало моделирование. Такой способ сопряжен сразу с несколькими проблемами: огромный диапазон масштабов, необходимость учета различных процессов, невероятно большое количество точек в симуляции. 29 июля 2014 года была опубликована первая статья о новом моделировании EAGLE. ПостНаука попросила астрофизика Сергея Пилипенко объяснить сложность задачи и последние достижения в этой области.
Одна из задач современной космологии — объяснить наблюдаемую картину многообразия галактик и их эволюцию. На качественном уровне физические процессы, происходящие в галактиках, сейчас известны, и усилия ученых направлены на следующий шаг — получение количественных предсказаний. Это позволит в конечном итоге ответить на ряд фундаментальных вопросов, например, о свойствах темной материи. Поскольку темной материи во Вселенной примерно в пять раз больше, чем обыкновенной, образование структур, в том числе и галактик, должно управляться темной материей. Но для того, чтобы выделить наблюдаемые проявления темной материи, необходимо разобраться с поведением обычной материи.
На масштабах нескольких миллионов световых лет влияние обычной материи можно не учитывать, поскольку звуковые волны в газе не успели распространиться на такие расстояния за время жизни Вселенной, и поэтому обычная материя эффективно ведет себя так же, как и темная: она подвержена одной только силе гравитации, про давление газа можно забыть. Этот факт позволяет сравнительно просто моделировать эволюцию крупномасштабной структуры Вселенной. Подобные численные модели, содержащие только темную или пылевидную материю, начали развиваться с 1980-х, и на сегодняшний день они с хорошей точностью воспроизводят крупномасштабную структуру распределения галактик и являются мощным и необходимым инструментом при проведении прецизионных космологических тестов.
Моделирование темной материи происходит в виртуальном кубе, имеющем размер, как правило, в сотни миллионов световых лет. Этот куб почти равномерно заполняют пробными частицами — телами, с помощью которых выполняется моделирование. «Почти равномерно" потому, что во Вселенной с самого начала присутствовали малые неоднородности, из которых и возникла вся наблюдаемая структура. Затем эти частицы начинают жить под действием силы тяготения (решается задача N тел). Вылетевшие за границу куба частицы переносятся на противоположную грань, сила тяготения тоже распространяется с переносом, благодаря чему этот куб становится как бы бесконечным, как Вселенная.
Одна из самых известных численных моделей такого типа — Millenium, имеющая размер куба более 1.5 млрд световых лет и около 10 миллиардов частиц. Масса одной пробной частицы при этом такова, что галактики вроде нашей состоят всего лишь из нескольких сотен частиц. Тем не менее этого достаточно, чтобы изучать распределение этих галактик в пространстве. В последующие годы было выполнено также несколько моделей еще большего объема: Horizon Run с размером стороны куба в 4 раза больше, чем Millenium, и Dark Sky с размером в 16 раз больше Millenium. Последняя модель покрывает объем, примерно соответствующий видимой области Вселенной.
Эти и подобные модели сыграли ключевую роль в двух проектах по проверке общепризнанной сейчас модели Лямбда-CDM (Вселенная, содержащая около 70% темной энергии, 25% темной материи и 5% обычной материи). Первый — подсчет количества скоплений галактик и его эволюции со временем (работа Vikhlinin и др.), которое зависит от доли и свойств темной энергии. Связь между количеством скоплений и свойствами темной энергии как раз и была изучена посредством численного моделирования. Второй проект — это обзор неба BOSS, использующий одну особенность в распределении галактик для изучения космологического расширения и, опять же, измерения свойств темной энергии. В этом проекте применение численных моделей позволило правильно спланировать обзор (его объем и глубину), чтобы достигнуть необходимой точности.
При уменьшении масштабов соответствие наблюдениям численных моделей с одной только темной материей теряется. В частности, такие модели предсказывают в несколько раз больше карликовых галактик-спутников, чем наблюдается у Млечного Пути. Очевидно, на масштабах распространения ударных волн от сверхновых, выброса газа джетами активных ядер и галактическим ветром обыкновенную материю уже нельзя считать пылевидной, и необходимо учитывать гидродинамику, остывание и нагревание газа излучением и большое количество других физических процессов. Здесь и начинаются большие трудности: многие процессы происходят на столь малых масштабах, что современным компьютерам не под силу охватить требуемый диапазон масштабов. Например, газ для образования одной звезды собирается из области размером от десятков до сотен световых лет, а для воспроизведения крупномасштабного распределения галактик необходима область размером как минимум в 300 млн световых лет. Это означает, что даже если выполнять моделирование с (1 000 000)^3 = 10^18 частиц, то на одну звезду в галактике будет приходиться 1 частица, чего, очевидно, недостаточно для учета процессов, происходящих при образовании звезд. Современные суперкомпьютеры способны моделировать пока только 10^12 (1 триллион) пробных частиц.
Кроме того, при сжатии первичного облака газа до состояния звезды плотность вещества повышается на 20–24 порядка, и моделирование гидродинамики в столь широком диапазоне плотностей тоже представляет сложнейшую численную проблему. Стоит отметить, что попытки смоделировать образование отдельной звезды, начиная с области размером в несколько световых лет, уже делаются, и некоторые успехи при этом достигнуты. Однако ряд физических процессов, например образование пыли, происходят на микронных масштабах, и эти процессы невозможно смоделировать в кубе размером в несколько световых лет.
Из сказанного выше следует, что моделирование образования галактик из первых принципов и с «честным» учетом всех законов физики на современном этапе развития науки невозможно, и необходимо делать некоторые упрощающие предположения. Например, можно разбить модельный куб на решетку из ячеек и считать, что при достижении в данной ячейке некоторой плотности и температуры газа часть газа (т. е. используемых для его моделирования пробных частиц) мгновенно превратится в звезды. Подобный подход носит название субрешеточной физики. При этом встает вопрос о выборе параметров, в данном случае пороговых значений и доли газа, переходящего в звезды.
Именно к такому классу численных моделей и относятся проекты EAGLE и Illustris. Данные проекты пытаются учесть все современные достижения в области моделирования и предлагают космологически значимый объем (размер куба 300 млн световых лет) и широкий диапазон масс галактик — от карликов до галактик типа нашей. Первая статья, относящаяся к проекту EAGLE, посвящена важнейшим деталям модели, которые в первую очередь интересуют научное сообщество, когда речь идет о применении субрешеточной физики: процедуре калибровки (выбора параметров) и ограничениям применяемого подхода.
Первые результаты проекта EAGLE показали, что авторам удалось воспроизвести известные корреляции между различными свойствами галактик, например соотношение Талли-Фишера между светимостью галактики и скоростью вращения диска. Также модель правильно воспроизводит соотношение между количеством дисковых и эллиптических галактик. Все это является важным достижением и позволяет надеяться, что модели из проектов EAGLE и Illustris позволят лучше понять галактики, а также получить ценные сведения о свойствах темной материи.
Если бы вы могли наблюдать за расширением Вселенной после Большого Взрыва с космического корабля, это было бы похоже на симуляцию EAGLE университета Дарема [1]. Вы бы наблюдали за распространением космической пыли по холодным и темным пространствам космоса и за вспышками яркого розового газа, образующими вращающиеся спиральные галактики. Чем дальше вы бы путешествовали, тем больше галактик вы бы увидели — много тысяч галактик в бесконечной виртуальной вселенной.
Проект EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments — эволюция и возникновение галактик и их окружения) имеет экстраординарные масштабы. Проект возглавляет Ричард Боуэр (Richard Bower), профессор космологии в институте вычислительной космологии университета Дарема.
«Моя роль… — говорит Боуэр с улыбкой. — Я люблю называть это сотворением Вселенных. Однако цель нашего проекта EAGLE — создавать расчеты, генерирующие искусственные модели, которые можно сравнивать с тем, что астрономы видят в телескопах. Он помогает понять, как образовалась реальная Вселенная и галактики, такие как наш Млечный Путь».
Это смелое начинание и моделировать Вселенную очевидно легче в теории, чем на практике. Как сказал Дуглас Адамс в своем знаменитом Путеводителе по Галактике для автостопщиков: «Космос велик. Он просто огромен. Вы даже не поверите, насколько он умопомрачительно громаден». Этот гигантский масштаб очень затрудняет любые попытки моделировать его с какими-либо реальными деталями.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Почему Вселенная такая, какая она есть? Из чего она сделана? Теории наблюдений нельзя тестировать в лаборатории, и поэтому для работы с крупными космологическими концепциями требуется подход на основе виртуализации.
Проект EAGLE университета Дарема позволяет моделировать галактики в космологических объемах с измерением в 100 мегапарсек по одной стороне (более 300 млн световых лет по диагонали). Однако этого недостаточно.
Используя новое высокопроизводительное аппаратное обеспечение, в том числе масштабируемые процессоры Intel® Xeon®, университет Дарема модернизировал свой суперкомпьютерный кластер, чтобы моделировать Вселенную с большей детализацией.
«Насколько велика наша Вселенная? Мы не знаем. — признает профессор Боуэр. — Однако это связано с тем, что наше поле зрения ограничено. Даже самые большие и технически продвинутые телескопы позволяют смотреть только на 14 миллиардов лет, и этому связано с тем, что возраст Вселенной конечен. У нее было начало, Большой Взрыв, и свет, появившийся при Большом Взрыве, может пройти за 14 миллиардов лет только ограниченное расстояние. Насколько мы знаем, Вселенная может быть намного больше».
Боуэру и его команде в университете Дарема хотелось бы создать единую симуляцию, содержащую всю доступную для наблюдения Вселенную. Однако с точки зрения технологий это пока нельзя реализовать на практике. Первая симуляция EAGLE (впервые запущенная в 2015 году) стала одной из крупнейших космологических гидродинамических симуляций, в которой использовалось почти 7 миллиардов частиц для моделирования межгалактической физики. Для моделирования космологического объема с длиной стороны в 100 мегапарсеков (более 300 млн световых лет) потребовалось 50 дней компьютерного времени на 4000 вычислительных ядер.
Когда мы начинали проект EAGLE, некоторые говорили, что это технически невозможно. Им пришлось признать свою неправоту.
Хотя это лишь небольшая часть оцениваемого размера реальной Вселенной в 14 миллиардов световых лет, размер симуляции достаточно большой, чтобы вместить 10000 галактик. Используя наблюдаемые свойства реальных галактик (например, размер, массу и цвета) и законы физики, проект EAGLE позволяет получить искусственный кусочек Вселенной, статистически отражающий большое целое. Тогда его можно будет использовать для получения ответов на самые большие вопросы космологии: «Почему галактики выглядят именно так?» или «Из чего состоит Вселенная?»
Проект EAGLE уже изменяет наше понимание структуры Вселенной и приносит удивительные новые знания. «Мы установили для начала симуляции момент сразу после Большого Взрыва и провели ее до сегодняшнего дня, чтобы посмотреть, будет ли Вселенная выглядеть так, как мы ее наблюдаем с помощью телескопов. Вначале нам было сложно получить реалистичный результат. Однако постепенно мы поняли, что нам не хватает ключевого ингредиента — черных дыр».
Похоже, что черные дыры сыграли ключевую роль в формировании Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня. Галактики бывают самых разных типов, что определил американский астроном Эдвин Хаббл в 1926 году. Его схема классификации («Последовательность Хаббла») включает спиральные галактики с одной стороны и эллиптические галактики с другой. Спиральные галактики имеют красивые диски, и в них много новых молодых звезд. Эллиптические галактики имеют форму сплюснутого мяча, и их звезды намного старше.
«Чтобы наша симуляция Вселенной соответствовала модели Хаббла, нам нужно было включить в расчеты черные дыры, — говорит Боуэр. Когда галактики достигают размера Млечного Пути, их черные дыры становятся очень маленькими. Однако затем черные дыры начинают очень быстро расти, и это преобразует внешний вид галактики, и в ней прекращается образование новых звезд. Существующие звезды впоследствии перераспределяются в эллиптическую форму. Это одно из самых замечательных открытий, которые мы сделали в ходе симуляции, и оно дало хорошее описание того, что мы наблюдаем в реальной Вселенной».
Недавно университет Дарема модернизировал свою суперкомпьютерную систему для запуска следующей итерации проекта EAGLE. Благодаря переписанному коду и новому аппаратному решению на базе новейших масштабируемых процессоров Intel® Xeon® Боуэр и его команда смогут смоделировать участок Вселенной в 30 раз больше, чем в симуляции 2015 года, и, что очень важно, содержащий больше точек данных. Увеличение количества точек данных повышает детализацию и вероятность встретить редкие небесные объекты, например квазары.
«Нам было важно иметь мощное и надежное аппаратное обеспечение, — говорит Боуэр. — Нам нужно было добавить очень много физических законов, чтобы смоделировать реальную вселенную — формирование галактик, их движение, силу притяжения, поток времени и эволюцию звезд… Это потрясающий ресурс, помогающий понять, что мы видим в телескоп, протестировать теорию посредством наблюдения. Однако это очень повышает нагрузку на наших инженеров».
Поэтому университету Дарема требовалась существенная модернизация аппаратного обеспечения. Как говорит Боуэр, по сравнению с объемом 300 миллионов световых лет, симуляция которого была создана в 2015 году, следующая симуляция будет иметь объем около миллиарда световых лет, то есть примерно десятую часть видимой Вселенной.
В углу Центра Фундаментальной Физики Огдена, где работают Боуэр и его команда, находится Создатель Вселенных. Он похож на игровой автомат 1980-х годов со стеклянной пирамидой в центре, где плавает изображение виртуальной Вселенной. Вы можете повернуть ручку, чтобы увеличить или уменьшить количество темной материи. Вы можете потянуть рычаг, чтобы настроить «мощность черных дыр». Это упрощенная демонстрация вывода EAGLE, но простота не делает ее менее впечатляющей.
«Когда мы начали этот проект, люди говорили, что это технически невозможно, — вспоминает профессор Бауэр. — Они говорили, что такие вычисления в большом масштабе не сработают, и что галактики будут выглядеть не так, как в реальной Вселенной. Однако мы много работали, чтобы опровергнуть их убеждения и добиться оптимального баланса вычислительной мощности и пропускной способности. Мы выяснили, что аппаратное обеспечение Intel дает нам то, что нужно.
Его работа просто поразительна. Больше всего мне понравилось создание фильма, когда вы стоите в начале Вселенной и летите в своем космическом корабле, а вокруг вас формируется Вселенная и конденсируются газовые облака, образуя звезды. Вы летите и летите, а в конце фильма прилетаете в нашу собственную галактику — Млечный Путь».
Всего лишь как любитель, дилетант. (1)
эту публикацию.
Российский математик ускорил работу систем компьютерного зрения на 40%
