Современные компьютеры позволяют создавать не только игровые миры, такие как No Man's Sky, но и научные симуляции, например, немного подустаревшая, но в цветах более реалистичная и бесплатная(а также доступная для смартфонов) Celestia и красивый, но платный Space Engine. Эти приложения используют реальные данные и помогают визуализировать объекты, которые пока невозможно сфотографировать. Однако их точность оставляет желать лучшего.
Но виртуальные вселенные создаются не только для визуализации и развлечения. Есть и такие, которые также служат инструментом для научных исследований. Одна из таких симуляций, COLIBRE, впервые воспроизводит рождение галактик с высокой точностью. Она не только объясняет наблюдаемое движение галактик, но и предсказывает неизвестные свойства Вселенной, такие как темная материя.
Конечно, надо понимать, что пока для научно достоверных симуляций используются суперкомпьютеры, а не обычные т.к для этого пока требуется большие компьютерные мощности. Предыдущие симуляции, такие как IllustrisTNG, EAGLE и SIMBA, также достигли хороших результатов. Однако они имели ограничения: из-за сложности вычислений физику приходилось упрощать. COLIBRE позволяет избежать таких упрощений и более точно воспроизвести физику межзвездной и межгалактической среды.
В симуляции COLIBRE учитываются холодный газ, пыль, молекулы, процессы охлаждения и химической эволюции. Это важно, так как именно в холодном газе формируются звезды, и его свойства определяют внешний вид и судьбу галактик.
Технически симуляции COLIBRE впечатляют своими масштабами. В крупнейших расчетах используется до 136 миллиардов частиц темной материи, газа и звёзд!
Для этого data-science специалисты и космологи усовершенствовали методы расчета гравитации и гидродинамики. Это позволило избежать ошибок и точнее воспроизвести структуру галактик.
Особое внимание было уделено процессам обратной связи — влиянию звезд и черных дыр на окружающий газ. В реальности вспышки сверхновых и активные ядра галактик нагревают и выталкивают газ, подавляя звездообразование. В COLIBRE эти процессы моделируются более детально, включая стадии до взрыва сверхновых и влияние вращения черных дыр.
Астрофизики использовали комбинацию физически мотивированных моделей и машинного обучения, чтобы результаты симуляции соответствовали реальным данным. В итоге удалось добиться хорошего совпадения: распределение масс галактик, их свойства и размеры соответствуют наблюдениям.
Авторы научной работы, опубликованной на сайте Monthly Notices of Royal Astronomical Society, пришли к выводу, что более реалистичное описание мелких физических процессов (газа, пыли и звездной обратной связи) существенно влияет на общую картину Вселенной.
Такие симуляции становятся не только инструментом для интерпретации данных, но и полноценной лабораторией для проверки гипотез о формировании звезд и галактик.