Вселенная в компьютере (стр. 2 из 2)

Всего в Галактике должно быть порядка 108-109 нейтронных звезд. Это следует, например, из расчетов химической эволюции Галактики. Ясно, что судить обо всей популяции только по радиопульсарам нельзя (их полное число в Галактике не превосходит 100000). Более того, возможно не все нейтронные звезды проходят через эту стадию, рождаясь или с очень большим магнитным полем (магнетары), либо, наоборот, с очень маленьким полем, или с большим (порядка нескольких секунд) периодом вращения (Земля и Вселенная, 2000, № 2). Так что при моделировании популяции в целом нужно принимать во внимание разнообразие начальных параметров и эволюцию нейтронных звезд.

Пространственное распределение скоплений галактик по результатам компьютерного моделирования (крупномасштабная структура).

Благодаря такому подходу удается объяснить малое число одиночных аккрецирующих нейтронных звезд, наблюдаемых рентгеновским спутником РОСАТ, а также наложить некоторые ограничения на модели распада магнитного поля нейтронных звезд. По-видимому, существенный распад до значений, типичных для миллисекундных пульсаров, невозможен у одиночных нейтронных звезд, т.е. мощная аккреция в тесных двойных системах существенным образом влияет на распад магнитного поля.

Компьютерная вселенная

В настоящее время мы можем непосредственно наблюдать галактики и квазары до красного смещения z = 6. Напомним, что космологическое красное смещение в спектрах галактик возникает из-за "разбегания" галактик вследствие расширения Вселенной. Чем больше красное смещение, тем дальше находится от нас галактика в пространстве и во времени. Реликтовое излучение дает информацию о процессах при z = 1400-1500. Данные по нуклеосинтезу (образование химических элементов) свидетельствуют о первых минутах жизни Вселенной.

Еще один большой пласт информации связан с крупномасштабной структурой Вселенной. Измерения флуктуации реликтового фона позволяют делать выводы о начальных неоднородностях Вселенной, из которых потом и образуются строительные блоки галактик. Переход от известных неоднородностей при z > 1000 к известной структуре при z < 5 представляет большой интерес. Сейчас именно расчеты распределения галактик и их скоплений в больших масштабах = 100 Мпк) позволяют судить о работоспособности космологических моделей.

Основные параметры космологических моделей - средняя плотность Вселенной (чаще используется ее отношение к критической плотности), вид темной материи (горячая, холодная или некоторая их смесь) и наличие Л-члена. Последний характеризует плотность энергии вакуума. Соответствие компьютерной Вселенной (крупномасштабная структура, темп расширения и т.д.) наблюдательным данным позволит сделать выбор между различными значениями параметров. Например, недавнее открытие ускорения в расширении Вселенной (по наблюдениям далеких сверхновых) дало доказательство значимости Л-члена. Его вклад в среднюю плотность Вселенной оценивается в 0.6-0.7. На долю темного вещества (причем в основном холодного) остается 0.3-0.4 от средней плотности. Отметим, что проводившиеся ранее расчеты формирования крупномасштабной структуры уже говорили в пользу существенного вклада Л-члена в динамику Вселенной, и наблюдения космологических сверхновых лишь подтвердили ожидания ученых.

Результаты расчета крупномасштабной структуры (из работ А. Кравцова, А. Клыпина и А. Хохлова). Показан элемент структуры на момент, соответствующий z = 0.99 (т.е. такой мы можем видеть крупномасштабную структуру на больших расстояниях, когда она была намного моложе).

Космологические расчеты, начатые в 70-х гг., ведут многочисленные группы исследователей в разных странах мира. За это время совершенствовались компьютеры, улучшались математические методы, появлялись новые наблюдательные данные, особо важные для постановки начальных условий и проверки расчетов. В итоге совсем было утвердившийся взгляд на Вселенную как на однородную и бесструктурную (в масштабах свыше нескольких мегапарсеков) пришлось полностью пересмотреть. Сейчас мы знаем, что структуры существуют вплоть до размеров порядка 100 Мпк, и только в больших масштабах Вселенная однородна. Моделирование образования таких структур - одна из интереснейших задач в современной астрофизике.

В первых работах рассматривалось только гравитационное взаимодействие небольшого числа (300-700) частиц. Сейчас используется до 107-108 частиц, и в расчеты включена гидродинамика. Вычисления доведены до формирования отдельных галактик и учета влияния звезд (взрывов сверхновых) на динамику задачи. Показано, что барионная часть темной материи находится в газообразном состоянии, а не в виде компактных звездных остатков или коричневых карликов. В работах по моделированию формирования крупномасштабной структуры удалось "победить и уничтожить" модель горячей темной материи, т.к. она не давала в расчетах достаточного числа объектов с большим красным смещением. По многим причинам модели, в которых темная материя предполагается смесью из примерно равных горячей и холодной составляющих, пришлось отбросить. Пока всем наблюдательным данным лучше всего соответствует космологическая модель, в которой скрытая масса представлена холодной материей, а вклад Л-члена в среднюю плотность весьма существен.

Для проведения компьютерных экспериментов в различных областях науки в США создана национальная информационная инфраструктура. Предполагается создание мощных суперкомпьютеров, развитие компьютерных сетей и создание новых методов обработки данных и вычислений. Космологическая часть программы - одна из наиболее важных, от ее успеха во многом зависит судьба программы в целом.

Космологические расчеты предполагается проводить в трех измерениях в кубе со стороной 1 млрд. св. лет. В этой области сосредоточена масса около 1018 М0. Более 99% массы составляет темная материя. Чтобы галактика типа нашей была представлена в модели хотя бы 103 частицами, а карликовая галактика - одной, при расчетах необходимо оперировать с 109 частицами, каждая массой 109 М0. Для таких вычислений потребуется около 100 Гб оперативной памяти и 1-2 Тб дискового пространства, что в тысячу раз превосходит параметры типичного настольного компьютера. Скорость считывания информации с диска должна быть порядка 0.27-0.55 Гб/с. Это превосходит возможности существующих вычислительных машин. Предполагается, что в инфраструктуре будут использованы суперкомпьютеры нового поколения с числом процессоров более тысячи.

Полномасштабные работы по космологической программе начнутся в 2002 г. Это позволит, вместе с получением новых наблюдательных данных, существенно продвинуться в понимании важнейших космологических вопросов.

Компьютерная космология сейчас, к сожалению, почти не развивается в нашей стране. В свое время группа академика Я.Б. Зельдовича проводила исследования высочайшего уровня. Но сейчас почти все наши специалисты в этой области работают за рубежом. Так что приходится наблюдать со стороны, как астрономы постигают Вселенную. Судя по всему компьютеры ранга применяемых в информационной инфраструктуре США у нас появятся не скоро, так что эта прискорбная ситуация может продлиться довольно долго. Пока единственным выходом является активное сотрудничество с крупными мировыми научными центрами, обладающими мощными вычислительными средствами.

Астрономы из силиконовой долины

Сейчас профессии, связанные с компьютерами, -одни из самых популярных среди молодежи. Многие выпускники астрономических отделений становятся программистами (астрономы получают хорошее физико-математическое образование, включающее отличное знание компьютеров), и, наоборот, в астрономию приходят математики и программисты. Их привлекает обилие интереснейших приложений компьютерных методов в астрономии вообще и в астрофизике - особенно. Сейчас нужны специалисты по обработке рядов наблюдений и изображений, по автоматизации наблюдений, по компьютерным сетям и, конечно же, специалисты по математическому моделированию. Астрономия - одна из самых красивых наук, поэтому неудивительно, что работа в ней интересна для многих профессионалов из близких областей.

Сами астрономы давно применяют компьютеры в своих исследованиях. Все, кто еще пытаются выбирать между компьютером и телескопом, могут отбросить сомнения: астрономия дает возможность реализовать любые устремления, и от телескопа до компьютера - всего один шаг.