Вот как создается Вселенная в компьютере. Задайте трехмерную пространственную сетку. Добавьте нормальную материю и темную материю в нужных пропорциях. Включите гравитацию. Заставьте пространство расширяться согласно модели Большого взрыва и наблюдайте, как будет выкристаллизовываться тонкое кружево крупномасштабных структур из изначально равномерно распределенной массы. Астрономические объекты могут быть представлены огромным числом «частиц». Например, миллион частиц – это скопление звезд, где одна звезда – одна частица, но никакая модель не сможет изобразить галактику по системе одна частица на звезду или Вселенную, где одна частица представляет галактику, поэтому на практике частица представляет собой изменяющееся количество массы
[235]. Приведу аналогию. Представьте, что используете миллион частиц для моделирования человеческих популяций. В модели мира каждая частица соответствовала бы 7500 человек, то есть населению большой деревни или маленького сельскохозяйственного района. Дальнейшая детализация была бы невозможна. Однако та же модель может быть чрезвычайно подробной – по частице на человека – для небольшого американского штата, например Род-Айленда, или такого скромных размеров города, как Остин в штате Техас.
С увеличением количества частиц стремительно растут требования к вычислительной мощности, поэтому Уайт и другие гуру программирования прибегают к хитростям, резко ускоряющим моделирование
[236]. В конце концов никто не хочет провести 13,8 млрд в ожидании результата. Модель Уайта называется «Миллениум», потому что это первая мощная модель большого фрагмента Вселенной после 2000 г.
Эти расчеты включают только гравитацию. Однако галактики содержат не только звезды, но и газ, который ведет себя не так, как звезды. Когда сталкиваются две спиральные галактики, звезды и частицы темной материи почти никогда не сливаются – эти компоненты галактик проходят сквозь друг друга. Напротив, газовые составляющие соударяются, нагреваются, ярко светятся и формируют звезды. Газ ведет себя скорее как жидкость, чем как множество частиц. Чтобы работать с газом, модели имитируют его поведение при помощи сглаженных частиц, имеющих вероятностное распределение, а не конкретное местоположение
[237]. В них включен и физический слой: уравнения позволяют учесть важные, хоть и мелкомасштабные, детали – например, взрывы сверхновых и формирование черных дыр. Саймон Уайт рассказывает о своем эпохальном космологическом моделировании.
Новаторством изначального «Миллениума» стал прежде всего общий объем, примерно в десять раз превышающий предыдущие вычисления. А также то, что мы использовали методы, позволившие проследить реальное формирование видимых галактик хотя и приблизительно, но физически обоснованно. Мы смогли предсказать не только распределение невидимого компонента Вселенной – темной материи, но и местоположение видимых объектов и их свойства. …Здесь нас тоже ждали сюрпризы. В частности, пришлось признать, что для понимания свойств видимых галактик мы должны понимать эффекты черных дыр, расположенных в центре. Реальное население галактик определялось развитием черных дыр в их ядрах. Несмотря на то, что черные дыры содержат лишь одну десятую процента звездной массы галактики – ничтожную долю, неверно считать, что этот маленький объект в центре оторван от остальной галактики
[238].
Моделирование «Миллениума» было завершено в 2005 г.
[239] 10 млрд частиц изображали куб пространства Вселенной со стороной 2 млрд световых лет. (Для хранения результатов потребовалось 25 терабайт.) Это не вся Вселенная, но достаточно большой фрагмент, который служит «достоверным образцом» и охватывает самые крупные структуры, потенциально формируемые гравитацией за 14 млрд лет. На основе этого моделирования были опубликованы сотни научных статей. Наивысшим достижением на сегодняшний день является модель «Иллюстрис»
[240]. Согласно закону Мура, описывающему увеличение вычислительной мощности вследствие уменьшения размера транзисторов, размер лучшей модели удваивается каждые 20 месяцев. К концу 2017 г. модели преодолели барьер в триллион частиц. Благодаря «Иллюстрис» впервые стало возможно реалистичное моделирование существенной части Вселенной вплоть до уровня детализации, позволяющего различить структуру галактики. Теперь компьютер может проследить, как питаются и растут миллионы сверхмассивных черных дыр на протяжении 13 млрд лет.
Как многие теоретики в астрономии, Саймон Уайт изначально получил математическое образование. Он вспоминает, как рассматривал перспективы обучения в магистратуре: «В Кембридже у меня было два варианта. Можно было заняться теоретической механикой жидкостей и газов, аэродинамикой и тому подобным. Эти студенты сидели в здании в центре Кембриджа, в подвальных кабинетах без окон. Другим вариантом была астрофизика. Центр астрофизики находится за пределами города, в здании со множеством окон. Еще там есть деревья, коровы пасутся через дорогу. Я решил, что астрофизика выглядит немного привлекательнее»
[241].
Как растут черные дыры и галактики
Судьбы черных дыр и галактик переплетены. Сверхмассивная черная дыра занимает крохотную долю объема галактики и имеет крохотную долю ее массы. Тем не менее, как мы узнали, каждая галактика содержит черную дыру, масса которой тесно связана с массой всех ее звезд. Исходя из этого, что мы можем сказать о совместном росте черных дыр и галактик с течением космического времени?
Славные дни квазаров далеко в прошлом. Мы обнаруживаем сверхмассивные черные дыры, прячущиеся в ближних галактиках, но они по большей части спокойные, как и черная дыра в нашей Галактике. Одна из 100 умеренно активна и одна из миллиона является квазаром. Исследования в оптическом и рентгеновском диапазонах позволяют ретроспективно проследить яркость квазаров. Пик активности квазаров имел место при красном смещении z = 2 ? 3, то есть около 11 млрд лет назад, через 2–3 млрд лет после Большого взрыва. Они были в тысячи раз активнее, чем сейчас. Древнее ночное небо существенно отличалось от нашего. Вселенная была в четыре раза меньше, в ней сливались галактики, где быстро формировались звезды. Сотни галактик были бы видны невооруженным глазом, тогда как сейчас мы можем увидеть лишь три
[242], а ближайший квазар находился в 100 раз ближе и был бы виден невооруженным глазом. Благодаря наблюдениям мы можем проследить историю резкого роста активности квазаров, за которым последовал медленный спад.
