Bolshoi — комп'ютерне моделювання Всесвіту, створене 2010 року на суперкомп'ютері Pleiades в Дослідницькому центрі Еймса. Назва взята з російської мови й означає «великий» (). Воно було найточнішим на той час космологічним моделюванням еволюції великомасштабної структури Всесвіту. Моделювання використовувало стандартну космологічну мордель ΛCDM з космологічними параметрами, визначеними за результатами WMAP. Головною метою моделювання було дослідження еволюції гало темної матерії та передбачення структур, які можна буде порівняти з результатами спостережень.

Перші дві з серії наукових статей, у яких описано Bolshoi та його результати, вийшли 2011 року в Astrophysical Journal. Перший набір даних Bolshoi оприлюднили для астрономів і астрофізиків усього світу. Дані містять результати моделювання Bolshoi, а також моделювання BigBolshoi або MultiDark, об'єм якого у 64 рази перевищує об'єм Bolshoi. Моделювання Bolshoi-Planck, що має таку саму роздільну здатність, як і Bolshoi, виконали 2013 року на суперкомп'ютері Pleiades, використовуючи космологічні параметри, отримані командою супутника Планк й оприлюднені в березні 2013 року.

Учасники

Над виконанням та аналізом моделювань Bolshoi співпрацювали команда в Університеті Каліфорнії в Санта-Крусі та група Анатолія Кліпіна в в Лас-Крусесі. Подальший аналіз і порівняння зі спостереженнями, виконані групою Різи Векслер у Стенфордському університеті та іншими дослідниками, відображено в статтях, заснованих на моделюваннях Bolshoi.

Обґрунтування

Успішне великомасштабне моделювання еволюції галактик, результати якого узгоджуються зі спостереженнями астрономів нічного неба, свідчить про те, що теоретичні основи використаних моделей, тобто реалізації ΛCDM на суперкомп'ютерах, є надійною основою для розуміння динаміки галактик та історії Всесвіту, а також відкриває нові напрями для подальших досліджень. Моделювання Bolshoi не було першим великомасштабним моделюванням Всесвіту, але стало першим, точність якого наблизилася до надзвичайно високої точності сучасних астрофізичних спостережень.

Попереднім найбільшим і найуспішнішим моделюванням еволюції галактик був проєкт Мілленіум, очолюваний Фолькером Шпрінгелем. Хоча успіх цього проєкту стимулював появу понад 400 наукових статей, у моделюваннях Мілленіум використано ранні космологічні параметри WMAP, які згодом застаріли. Через це вони дали деякі передбачення, наприклад щодо розподілу галактик, які не дуже добре узгоджуються зі спостереженнями. У моделюваннях Bolshoi використано найновіші на той час космологічні параметри; вони мають вищу роздільну здатність і їх проаналізовано докладніше.

Методи

Моделювання Bolshoi відстежує еволюцію 8,6 мільярда частинок темної матерії, кожна з яких представляє близько 100 мільйонів сонячних мас, у тривимірному кубі з довжиною ребра близько 1 мільярда світлових років. У цій моделі темна матерія та темна енергія визначають еволюцію Всесвіту. Динаміку розраховують в моделі ΛCDM та загальній теорії відносності, причому модель включає холодну темну матерію та Λ -член космологічної сталої, який моделює космічне прискорення, що називають темною енергією.

Перші приблизно 100 млн років еволюції Всесвіту після Великого вибуху можна описати аналітично. Моделювання Bolshoi розпочали з червоного зміщення z=80, що відповідає приблизно 20 млн років після Великого вибуху. Початкові параметри обчислили за допомогою лінійної теорії, реалізованої в інструментах CAMB, які були частиною вебсайту WMAP. Ці інструменти задають початкові умови, зокрема статистичний розподіл положень і швидкостей частинок у сукупності, для значно складнішого моделювання Bolshoi наступних приблизно 13,8 мільярда років. Модельованим об'ємом є випадково вибрана ділянка Всесвіту, тому порівнювати результати зі спостереженнями потрібно статистично.

У моделюванні Bolshoi використано різновид алгоритму адаптивного уточнення сітки (), який називають деревом адаптивного уточнення (). У ньому куб простору, в якому густина речовини перевищує задане значення, рекурсивно поділяють на сітку менших кубів. Поділ продовжується до граничного рівня, вибраного так, щоб не витрачати надто багато часу суперкомп'ютера. Сусідні куби не можуть відрізнятися більш ніж на певну кількість рівнів; у випадку Bolshoi — більш ніж на один рівень поділу, щоб уникнути великих розривів. Метод AMR/ART добре підходить для моделювання дедалі неодноріднішого розподілу речовини, який формується в процесі моделювання. На кожному кроці сітка підлаштовується під зміни розподілу густини. У процесі моделювання Bolshoi на суперкомп'ютері Pleiades для кожної з 8,6 мільярда частинок, що представляють темну матерію, записували положення та швидкість у 180 моментів часу, приблизно рівномірно розподілених протягом змодельованих 13,8 мільярда років. Потім кожен такий миттєвий знімок аналізували, щоб знайти всі гало темної матерії та визначити властивості кожного з них (належність частинок до гало, положення, розподіл густини, обертання, форму тощо). Усі ці дані використали для визначення повної історії росту та злиттів кожного гало. Своєю чергою, ці результати дають змогу передбачити, де утворюватимуться галактики та як вони еволюціонуватимуть. Відповідність цих передбачень спостереженням дає змогу оцінити успішність моделювання. Провели також інші перевірки.

Результати

Вважають, що моделювання Bolshoi дало найкраще на той час наближення до реальності для настільки великого об'єму простору — близько 1 мільярда світлових років у поперечнику. Bolshoi відтворив Всесвіт, у якому галактики вишикувані у нитки завдовжки у сотні мільйонів світлових років, що оточують войди, утворюючи великомасштабну структуру Всесвіту, яка добре відповідає спостережним даним з глибоких оглядів червоних зміщень, таких як Слоанівський цифровий огляд неба. Моделювання Bolshoi показало, що наближення Шетха — Тормена завищує кількість гало в разів для червоних зсувів .

Фінансування

Це дослідження підтримали гранти НАСА та Національного наукового фонду США для Джоела Прімека та Анатолія Кліпіна, зокрема значні гранти на використання часу суперкомп'ютера Pleiades у NASA Advanced Supercomputing при Дослідницькому центрі НАСА імені Еймса. Розміщення результатів моделювання Bolshoi та результатів їх аналізу в Потсдамському астрофізичному інституті Лейбніца частково фінансує грант за програмою MICINN Іспанії.

У масовій культурі

Візуалізацію з моделювання Bolshoi використали в телепрограмі National Geographic «Всередині Чумацького Шляху» (). Ісландська співачка та авторка пісень Б'єрк використала відеоматеріали космологічного моделювання Bolshoi під час виконання пісні «Dark Matter» на концерті .

Примітки

Посилання

A. Klypin's (NMSU) Bolshoi Cosmological Simulation Website Bolshoi Movies