Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Еще одним источником больших данных в астрономии является компьютерное моделирование, в первую очередь больших космологических процессов. В них расчеты начинаются на красном смещении около z = 30 (примерно 100 млн лет после начала расширения), а детализация доходит до расчетов параметров отдельных галактик в нашу эпоху. При этом получаемые в расчетах изображения вполне сравнимы с реально наблюдаемой картиной. Учитывая, что обсчитываются большие объемы пространства с большим количеством галактик, такие компьютерные модели порождают огромные объемы информации. Результаты подобных расчетов востребованы исследовательскими группами по всему миру, причем речь идет не о финальных интегральных данных, а о полном доступе: такие крупные проекты выступают в роли «искусственных вселенных», элементы которых ученые могут сравнивать с наблюдениями реальных объектов в поисках новых корреляций и закономерностей. В ходе некоторых компьютерных экспериментов специально воспроизводят «искусственные обзоры», аналогичные по своим свойствам реальным, рассчитывая наблюдаемые параметры модельных объектов.

При работе с большими данными в астрономии возникает также интересная проблема их визуализации. Это касается и данных наблюдений (например, огромные каталоги с сотнями миллионов астрономических источников), и данных компьютерного моделирования (например, визуализация эволюции крупного скопления галактик). С ростом объемов информации острота этой проблемы только возрастет. Поэтому в астрономии разрабатываются специальные пакеты программ, позволяющие эффективно работать с большими объемами данных в графическом режиме.

15.3. Численный эксперимент и моделирование

В астрономии из-за колоссальной удаленности изучаемых объектов, а также из-за их собственных масштабов невозможно проведение прямых экспериментов и измерений (исключая некоторые объекты Солнечной системы). Кроме того, многие процессы происходят на очень длинной шкале времени, из-за чего мы фактически видим лишь статичные фрагменты эволюционных последовательностей. Поэтому совершенно особое место в астрофизике занимает численное моделирование изучаемых процессов.

Из-за невозможности прямого эксперимента в астрофизике большое распространение получило компьютерное моделирование.

Примеры ситуаций, когда в астрофизике применяется компьютерное моделирование, многочисленны и разнообразны. Поскольку наиболее распространенным состоянием вещества в астрономических объектах является плазма, часто используются магнитогидродинамические численные модели. Однако они могут быть дополнены необходимостью учета ядерных и термоядерных реакций, а также экзотических состояний вещества (например, при расчетах взрывов сверхновых).

В астрофизических магнитогидродинамических расчетах зачастую необходимо учитывать свойства турбулентности, наличие ударных волн и других сложных для расчета структур. В итоге многие важные задачи до сих пор остаются не до конца решенными, несмотря на использование крупнейших суперкомпьютеров и передовых алгоритмов. К их числу относятся модели взрывов сверхновых, образование первых звезд и многое другое.

Спецификой астрофизического моделирования является изучение популяций большого числа связанных силами гравитации объектов, каждый из которых в первом приближении может считаться материальной точкой. Известно, что уже задача трех тел без дополнительных упрощений не имеет аналитического решения в виде конечного выражения. В астрономии могут встречаться ситуации, когда необходимо рассчитать поведение ансамбля из миллионов взаимодействующих друг с другом тел. Например, это может быть расчет эволюции шарового скопления или поведение звездного населения галактик при их взаимодействии.

Спецификой астрофизики является взаимодействие многих тел посредством гравитации, а также действие эффектов ОТО в сильном поле.

Моделирование движения многих тел под действием гравитации (n-body) играет столь важную роль в астрономии, что для решения подобных задач даже разработаны специальные аппаратные средства (так называемые Gravity Pipe – GRAPE), которые существенно ускоряют расчеты поведения галактик и других объектов.

Расчеты взрывов сверхновых, слияний черных дыр и формирования крупномасштабной структуры Вселенной являются яркими примерами интересных задач для компьютерного моделирования в астрофизике.