Что было до нас? Как из точки, меньшей чем атом, родились миллиарды галактик? Телескопы дают нам лишь застывшие фотографии далекого прошлого, но правду о «скелете Вселенной» невозможно увидеть даже в самый мощный окуляр. Она спрятана в невидимой субстанции — темной материи, составляющей 85% всего сущего. Китайские ученые бросили вызов самой Природе: они запустили «машину времени» внутри суперкомпьютера. За 18 дней машина прожила жизнь Космоса от Большого взрыва до сегодняшнего дня, создав самый детальный виртуальный слепок реальности. Добро пожаловать в эпоху, когда Вселенная стала программируемой.
Представьте, что вы хотите снять фильм о жизни человека, который жил миллиард лет назад. У вас нет кинохроники, есть только окаменелые кости и пыль на скалах. Примерно в таком положении находилась астрофизика до последнего времени. Мы смотрим на звезды, но видим лишь их «призраков» — свет, который шел к нам тысячи, миллионы или миллиарды лет. Это статичные снимки, моментальные слепки эволюции. Увидеть, как галактика растет, рождает звезды и сталкивается с соседкой, напрямую невозможно.
До сегодняшнего дня.
Группа исследователей под руководством профессора Гао Ляна из Национальных астрономических обсерваторий Китайской академии наук (NAOC) совершила то, что еще пять лет назад казалось уделом фантастов. Проект HyperMillennium — это не просто очередная сложная программа. Это, пожалуй, самая амбициозная попытка человечества сыграть роль Демиурга.
Куб размером 12 миллиардов световых лет
Машина не стала распыляться на всю бескрайнюю Вселенную. Вместо этого ученые вырезали из пространства-времени идеальный куб. Длина его грани — 12 миллиардов световых лет. Для понимания: если выстроить наши галактики Млечный Путь (которой, напомню, 100 тысяч световых лет в поперечнике) в одну линию, их понадобится 120 тысяч штук, чтобы заполнить всего одну сторону этого куба.
Масштаб цифрового куба: 120 тысяч Млечных ПутейPicLumen
Внутри этого куба, в «цифровом террариуме», замерли 4,2 триллиона виртуальных частиц. Это не атомы и не пыль. Это частицы темной материи — того самого неуловимого «кирпичика», который не горит, не отражает свет и не взаимодействует с обычным веществом, но именно он держит всю вселенскую конструкцию от распада.
Если представить Вселенную как дом, то звезды и планеты (обычная материя) — это рождественские гирлянды на фасаде. Они красивы, но их мало. А темная материя — это бетонные стены, арматура и фундамент. Вы их не видите, но без них дом рухнет.
Как работает «машина времени»?
Суперкомпьютер заставил эти 4,2 триллиона частиц взаимодействовать друг с другом, подчиняясь исключительно законам гравитации. Начав с хаотичного состояния сразу после Большого взрыва (момент времени t=0), алгоритм «прокрутил» пленку истории вперед на 13,8 миллиарда лет. Виртуальные частицы притягивались, сливались, образовывали нити и сгустки — так рождаются прото-галактики.
«Из-за огромных масштабов Вселенной и длительного хода ее эволюции далекие галактики, наблюдаемые в телескопы, являются на самом деле статичными снимками, возраст которых исчисляется миллиардами или даже десятками миллиардов лет, — объясняет профессор Гао Лян. — Это не позволяет отслеживать их эволюцию в реальном времени. Наша симуляция заполняет этот пробел».
Сравнение с реальными данными телескопов (например, с миссией Евклида или телескопом Китайской космической станции) показало пугающую точность. В частности, тест на скоплении галактик Abell 2744, известном своей дикой, нелинейной гравитацией, подтвердил: симуляция работает. Галактики в компьютере «слипались» и формировали узлы там же, где и в реальном космосе.
Адский пазл из 13 миллионов фильмов
Дьявол, как всегда, кроется в деталях — и в объемах данных. Чтобы обработать гравитационный танец 4,2 трлн частиц, инженерам пришлось собрать титаническую вычислительную мощь. 16 000 ускорителей (специализированных процессоров) работали без остановки 18 суток. Это все равно что попросить миллион человек складывать гигантский пазл одновременно, не имея права на ошибку.
Результатом стал массив данных объемом 13 петабайт.
Одна петабайт — это миллион гигабайт. Если конвертировать этот объем в высококачественные фильмы, получится 13 миллионов штук. Чтобы посмотреть их все подряд без сна и еды, вам потребуется около 150 тысяч лет.
Мозг симуляцииPicLumen
Эти данные не пылятся на полке. Уже в этом году первый массив данных HyperMillennium станет открытым для ученых по всему миру. Астрономы получат возможность не гадать на кофейной гуще, а скачать готовую историю развития любой интересующей их области космоса.
Гонка титанов: Почему это прорыв?
В мире существует три так называемых «ультра-симуляции», отслеживающих триллионы частиц. Японский проект Uchuu (Вселенная) делал упор на максимальное разрешение, но охватывал меньший объем. Европейский Flagship 2 хвастался широтой, но проигрывал в детализации детских болезней галактик.
HyperMillennium — как уверяют китайские специалисты (и подтверждают западные коллеги вроде профессора Майка Бойлан-Колчина из Техасского университета), — это «золотая середина». Симбиоз масштаба и разрешения. Как выразился профессор Фолькер Шпрингель из Института астрофизики Макса Планка (Германия), эта работа «переопределяет границы возможного в численной космологии».
Почему это важно не только для ученых?
Обыватель может спросить: «Ну смоделировали и смоделировали. Что мне с того?»
Дело в том, что темная материя — это последняя граница «Непознанного» в физике. Мы знаем, что она есть. Мы измеряем ее гравитацию. Но мы никогда не трогали ее рукой. Подобно тому, как средневековый человек не понимал, почему идет дождь, мы не понимаем, почему Вселенная не разлетается на куски по теории относительности.
Симуляция HyperMillennium позволяет гипотетически «ощупать» этот скелет реальности. Сравнивая поведение виртуальных 4,2 трлн частиц с реальным движением галактик, физики либо найдут подтверждение Стандартной модели, либо... увидят аномалию. А любая аномалия в такой точной науке, как астрофизика, — это дверь в Новую Физику. Возможно, за этой дверью нас ждет ответ на вопрос об энергии темной материи, пятом измерении или природе времени.
Китайский суперкомпьютер ORISE не просто выдал цифры. Он подарил нам карту, на которой отмечены все невидимые тропы космоса. Мы больше не слепые котята, тыкающиеся носом в огромную черноту. Мы видим бетонные стены мироздания. И пусть пока мы не знаем, как их построили, зато у нас появился точный чертеж.
