Космологи по обе стороны Атлантики сделали прорыв в моделировании Вселенной

В этой имитации ранней Вселенной материя имеет тенденцию к концентрации в определённых частях пространства под действием собственного гравитационного притяжения.
Иллюстрация James Mertens/CWRU.

Читайте нас в Telegram

Исследовательские команды из Европы и США хотят получить наиболее точную модель Вселенной, создав компьютерные программы, способные на сложные расчёты такого рода. Оба алгоритма основаны на полной общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Отмечается, что обе группы работают независимо друг от друга. Два новых кода, как утверждают специалисты, откроют новые горизонты в понимании гравитации и последствий её воздействия.

Теория Эйнштейна, разработанная практически сто лет назад, до сих пор остаётся лучшей теорией, описывающей гравитацию. Она стабильно проходит все высокоточные испытания в Солнечной системе и помогает исследователям успешно прогнозировать такие явления, как гравитационные волны.

Напомним, что впервые об их открытии физики сообщили в феврале 2016 года, а спустя всего несколько месяцев учёные объявили о второй фиксации ряби пространства-времени.

Однако исследователи добавляют, что уравнения теории являются довольно сложными, и физики до сих пор вынуждены упрощать теорию при применении её к Вселенной даже при использовании суперкомпьютеров. Так, учёным приходится рассматривать космос как овощной суп-пюре, то есть пространство с более-менее равномерно распределённым веществом, нежели как манную кашу с комками, где комки – средоточия материи в виде галактик и звёзд.

Иногда физикам удавалось рассмотреть какую-то конкретную область Вселенной как менее гомогенную, но ввести в расчёты всю Вселенную по-прежнему было невозможно. Понятно, что в этом случае любые выводы могут быть ошибочными, но выхода у учёных не было.

Теперь же две группы физиков по обе стороны Атлантики независимо друг от друга разработали программное обеспечение, использующее уравнения Эйнштейна без ограничений. Расчёты того, как ранняя Вселенная расширялась и менялась по мере скопления вещества в одних регионах и разрежения в других, ведутся на суперкомпьютерах.

При этом европейскую команду больше интересует, как формировались сверхплотные скопления материи, а американскую — как расширялась Вселенная и как её искривление влияло на распространение света.

Два новых кода стали первыми, где использовалась общая теория относительности Эйнштейна в полной мере, но пока эта методика не может дать астрономам какие-то конкретные цифры.

Тем не менее, учёные сравнили результаты этого численного моделирования с показаниями традиционных упрощённых линейных моделей и обнаружили, что приближения "выводят систему из строя". Упрощая в меньшей степени, учёные получают больше данных и возможность уточнить границы, в которых ответы.

"Действительно, моделирование формирования крупномасштабных структур, а также следов, оставляемых этими процессами, например, на космическом микроволновом фоне, требует релятивистского подхода", — говорит Сабино Матарресе (Sabino Matarrese), профессор физики и астрономии из Университета Падуи.

Европейская команда обнаружила, что возмущения достигли "точки разворота" и разрушились гораздо раньше, чем прогнозировали прежние модели.

Учёные сравнили свою модель с прежней упрощённой моделью, предполагающей однородное расширение Вселенной, и обнаружили, что отклонения составляют почти 30 процентов.

Группа из США обнаружила, что неоднородная материя генерировала локальные различия в скорости расширения растущей Вселенной, отклоняясь от показаний широко используемого метода приближения — метрики Фридмана — Робертсона – Уокера.

"Эти работы важны не только потому, что дарят новые сведения, но и потому, что стали первопроходцами в применении вычислительных подходов к давним проблемам космологии", — комментирует открытия Стюарт Шапиро (Stuart L. Shapiro), профессор физики и астрономии в Ил­ли­нойс­ком уни­верситете в Ур­ба­на-Шам­пейн.

Доктор Марко Бруни (Marco Bruni) из Института космологии и гравитации США отмечает: "Это действительно захватывающий виток развития, который поможет космологам создать максимально точную модель Вселенной".

В настоящее время обе исследовательские группы продолжают совершенствовать разработанные коды для изучения проблем Вселенной с использованием теории относительности. Матарресе считает, что истинный потенциал этих техник раскроется в полной мере в ближайшие 20 лет.

Европейская группа исследователей опубликовала свою статью в журнале Physical Review Letters, команда учёных из США представила свою работу в издании The Physical Review Part D.

Сегодня