Международная группа ученых представила масштабную компьютерную симуляцию Lumina, которая детально воспроизводит эволюцию космоса в первые два миллиарда лет после Большого взрыва. Работа выполнена на суперкомпьютере Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж (США) и позволяет исследовать процессы формирования первых звезд и галактик, а также изменения состояния межгалактического газа. Главным результатом стало создание модели, объем которой в 100 раз превышает размеры предыдущих аналогичных расчетов, что дает возможность изучать редкие космические объекты и проверять космологические теории на основе данных телескопов «Джеймс Уэбб» и «Роман». Полностью открытый доступ к результатам исследования ожидается в 2028 году.
Для реализации проекта исследователи использовали вычислительные мощности суперкомпьютера Frontier, задействовав более 100 тысяч процессорных ядер и около 15 тысяч графических процессоров. Симуляция охватывает кубический участок пространства со стороной примерно 1,5–1,63 миллиарда световых лет и включает около 432 миллиардов элементов, моделирующих обычное вещество, темную материю и излучение. В основе расчетов лежит усовершенствованный программный комплекс IllustrisTNG с добавлением модулей для моделирования переноса излучения. Это позволило одновременно просчитать гравитационное формирование структур, движение вещества, звездообразование и ионизацию среды.
Ключевым фокусом моделирования стали процессы реионизации водорода и гелия. Симуляция показывает, что основную роль в ионизации водорода сыграло излучение первых звезд, тогда как активные ядра галактик, питаемые сверхмассивными черными дырами, обеспечили около 15% потока ионизирующего излучения в конце этого этапа. Для ионизации гелия требовались более энергичные фотоны, источником которых стали те же активные ядра. Расчеты указывают на завершение реионизации водорода при красном смещении около 5,2, с сохранением отдельных нейтральных облаков до значения 4,75, а завершение ионизации гелия произошло к красному смещению 3. Температура и другие параметры межгалактического газа в модели согласуются с современными астрономическими наблюдениями.
Существуют небольшие расхождения в цифрах между источниками относительно точного количества вычислительных узлов и объемов памяти. Если одни данные указывают на использование 1884 вычислительных узлов и 105 504 ядер, то другие упоминают около 100 тысяч ядер и 15 тысяч GPU. Также варьируются данные по объему оперативной памяти: от 600 ТБ в пиковый момент до 250 ТБ на одну копию контрольных данных. Точная причина этих различий не установлена, однако все источники сходятся в том, что масштаб моделирования беспрецедентен для данного типа исследований. При этом сама симуляция не является прямой реконструкцией прошлого, а представляет собой расчет вероятной эволюции космических структур на основе физических моделей и начальных условий.