Vselennaya v komp'yutere.

I. Ot teleskopa do komp'yutera odin shag.
Sovremennogo astronoma chashe mozhno uvidet' ne u okulyara teleskopa, a pered displeem komp'yutera. Prichem ne tol'ko teoretika, no i nablyudatelya. Primeneniya komp'yuterov v astronomii, kak i v drugih naukah chrezvychaino raznoobrazny. Eto i avtomatizaciya nablyudenii, i obrabotka ih rezul'tatov (astronomy vidyat izobrazheniya ne v okulyare, a na monitore - priemnikom izlucheniya obychno sluzhit PZS matrica). Komp'yutery takzhe neobhodimy dlya raboty s bol'shimi katalogami i dlya nebesno-mehanicheskih raschetov. Ne zabudem i o komp'yuternyh setyah, bez kotoryh sovremennaya nauka sebya uzhe ne myslit. Sobstvenno i dlya napisaniya stat'i i sozdaniya zhurnala komp'yuter seichas sovershenno neobhodim. Zdes' my pogovorim o drugih primeneniyah komp'yuterov v astrofizike - komp'yuternyh eksperimentah.

Astronomiya - neobychnaya nauka. Ona, kak pravilo, ne mozhet neposredstvenno eksperimentirovat' s ob'ektami issledovanii: zvezdu ne zasunesh' v probirku!. Vse chto my poluchaem - razlichnye vidy izlucheniya (elektromagnitnoe, gravitacionnoe, potoki neitrino ili kosmicheskih luchei) -- astronomy tol'ko podsmatrivayut i podslushivayut! Znachit nuzhno nauchit'sya izvlekat' maksimum informacii iz nablyudenii i vosproizvodit' ih v raschetah dlya proverki gipotez eti nablyudeniya opisyvayushih.

Poluchiv nablyudatel'nyi ryad (spektry ili krivye bleska), i zhelaya ponyat' prirodu yavleniya, nuzhno proverit' svoi gipotezy raschetom, t.e. ispol'zuya nekotorye predpolozheniya i izvestnye fizicheskie zakony vosproizvesti rezul'taty nablyudenii. Poetomu modelirovanie spektrov i krivyh bleska chrezvychaino vazhno dlya astronomov.

Vsem izvestno vyrazhenie "burya v stakane vody". Chtoby detal'no issledovat' takoi slozhnyi gidrodinamicheskii process kak burya neobhodimo privlekat' slozhnye metody chislennogo modelirovaniya (poetomu odni iz samyh moshnyh komp'yuterov nahodyatsya v krupnyh gidrometeocentrah): burya razygryvaetsya v kristalle processora komp'yutera.

V astrofizike k takim kosmicheskim buryam otnosyatsya vzryvy sverhnovyh, peretekanie (akkreciya) veshestva v tesnyh dvoinyh sistemah, obrazovanie zvezd, dzhety v aktivnyh yadrah galaktik i, nakonec, sliyaniya dvoinyh neitronnyh zvezd i chernyh dyr.

Poslednii syuzhet imeet otnoshenie k generacii gravitacionnyh voln, kotorye v nedalekom budushem budut zaregistrirovany detektorami VIRGO (Evropa) ili LIGO (SShA) a takzhe, vidimo, k kosmicheskim gamma-vspleskam, priroda kotoryh nesmotrya na bol'shie uspehi, svyazannye s ih odnovremennymi nablyudeniyami v raznyh spektral'nyh diapazonah, tak do konca i ne yasna. Gravitacionnye volny byli predskazany obshei teoriei otnositel'nosti. Oni predstavlyayut soboi nekotorye vozmusheniya gravitacionnogo polya i rasprostranyayutsya so skorost'yu sveta. Izluchayutsya oni, naprimer, pri vrashenii nesimmetrichnyh tel, v chastnosti dvoinymi zvezdnymi sistemami. Nablyudeniya dvoinogo, "teilorovskogo", radiopul'sara (neitronnaya zvezda v pare s drugoi neitronnoi zvezdoi) nahodyatsya v tochnom sootvetstvii s obshei teoriei otnositel'nosti i fakticheski odnoznachno podtverzhdayut sushestvovanie gravitacionnyh voln (za otkrytie i issledovaniya etogo ob'ekta Hals (R.Hulse) i Teilor (G.Taylor) v 1993 g. poluchili Nobelevskuyu premiyu po fizike).

Detektory gravitacionnyh voln -- odni iz samyh dorogih fizicheskih priborov za vsyu istoriyu chelovechestva. Poetomu neudivitel'no, chto vse svyazannoe s etimi issledovaniyami poluchaet moshnuyu podderzhku i, sledovatel'no, aktivno razvivaetsya. Sozdan special'nyi proekt Bol'shogo Vyzova (Grand Challenge) v modelirovanii sliyanii dvoinyh chernyh dyr i neitronnyh zvezd. Krome etogo podobnye raschety provodyat mnogochislennye nezavisimye gruppy issledovatelei.

Dlya uspeshnoi registracii slabogo signala na fone shuma neobhodimo imet' vozmozhno luchshee predstavlenie o forme iskomogo signala. Poetomu, chtoby milliardnye zatraty ne propali zrya, mozhno potratit' nekotoroe vremya i den'gi na issledovanie sliyaniya dvoinyh kompaktnyh ob'ektov. Raschety oslozhnyayutsya neobhodimost'yu ucheta effektov obshei teorii otnositel'nosti. Poetomu vychisleniya provodyatsya v nekotoryh priblizheniyah, bolee ili menee dostoverno opisyvayushih real'nost'. Mozhno rasschityvat', chto eshe do registracii signala ego forma stanet s dostatochnoi tochnost'yu izvestna blagodarya komp'yuternomu modelirovaniyu.

Dazhe esli vy provodite ne ochen' slozhnye vychisleniya, no vam nuzhno povtorit' ih million raz, to luchshe odin raz napisat' programmu, a komp'yuter povtorit ee stol'ko raz, skol'ko eto nuzhno (ogranicheniem, estestvenno, budet bystrodeistvie komp'yutera). Tak chto dlya vychisleniya parametrov bol'shih populyacii astronomicheskih ob'ektov (obychnyh zvezd, tesnyh dvoinyh sistem, neitronnyh zvezd i t.d.) takzhe ispol'zuyut chislennye metody. Nazyvaetsya eto - populyacionnyi sintez.

Bol'shoi populyarnost'yu pol'zuyutsya raschety integral'nyh spektrov galaktik. Dlya etogo nuzhno promodelirovat' sovremennyi zvezdnyi sostav galaktiki, ponyat' istoriyu zvezdoobrazovaniya v nei, opredelit' osnovnye parametry populyacii zvezd: nachal'nuyu funkciyu mass, himicheskii sostav i t.d. Odnako, zadacha eta dostatochno slozhnaya, i sluchaetsya, chto vosstanavlivaya po spektru galaktiki ee zvezdnyi sostav, raznye gruppy issledovatelei poluchayut sovershenno protivopolozhnye rezul'taty. Zdes' eshe est' prostor dlya novyh rabot.

II. Tvorenie komp'yuternoi Vselennoi.
Perehodim k osnovnomu syuzhetu nashei stat'i. My mozhem seichas nablyudat' galaktiki i kvazary do krasnogo smesheniya z=5-7 (napomnim, chto kosmologicheskoe krasnoe smeshenie voznikaet iz-za rasshireniya Vselennoi, i vse galaktiki kak by ot nas "ubegayut", iz-za chego vse linii v ih spektrah sdvigayutsya v krasnuyu storonu v sootvetstvii s effektom Doplera, chem bol'she krasnoe smeshenie, tem dal'she ob'ekt ot nas vo vremeni i prostranstve). Reliktovoe izluchenie daet nam informaciyu o processah pri krasnom smeshenii z=1000-1500 (togda Vselennoi bylo primerno 300 000 let otrodu). Dannye po nukleosintezu, t.e obrazovaniyu elementov, pozvolyayut sudit' ob usloviyah v pervye minuty zhizni Vselennoi. Eshe odin bol'shoi plast informacii svyazan s krupnomasshtabnoi strukturoi Vselennoi. Izmereniya fluktuacii reliktovogo fona pozvolyaet sudit' o nachal'nyh neodnorodnostyah vo Vselennoi, iz kotoryh potom i obrazuyutsya stroitel'nye bloki galaktik, i perehod ot izvestnyh neodnorodnostei na z=1500 k izvestnoi strukture na z<5 predstavlyaet bol'shoi interes. Seichas imenno raschety raspredeleniya galaktik i ih skoplenii v bol'shih masshtabah (bol'she 100 Mpk), a takzhe nablyudeniya "laiman-al'fa lesa" (t.e. "lesa" linii poglosheniya v spektrah dalekih kvazarov, kotorye poyavlyayutsya iz-za nalichiya pogloshayushego veshestva na luche zreniya), pozvolyayut sudit o rabotosposobnosti kosmologicheskih modelei.

Napomnim, chto osnovnymi parametrami modeli v dannom sluchae yavlyayutsya srednyaya plotnost' veshestva (chashe govoryat o ee otnoshenii k kriticheskoi, oboznachaya etot parametr ), vid temnoi materii: holodnaya, goryachaya ili nekotoraya ih smes' i, nakonec, nalichie -chlena, predlozhennogo eshe Einshteinom i svyazannogo s energiei vakuuma, i ego vklad v plotnost'. V raznyh modelyah krupnomasshtabnaya struktura i sami galaktiki i ih skopleniya obrazuyutsya po-raznomu, chto pozvolyaet delat' vybor mezhdu razlichnymi znacheniyami parametrov. Naprimer, otchasti blagodarya raschetam formirovaniya krupnomasshtabnoi struktury, pokazavshim neobhodimost' sushestvovaniya bol'shogo -chlena kosmologi legko prinyali otkrytie uskoreniya rasshireniya Vselennoi (dannye po kosmologicheskim sverhnovym tipa Ia, kotorye i pozvolyayut govorit' ob otkrytii uskoreniya rasshireniya Vselennoi, pozvolyayut opredelit' raznicu vkladov v srednyuyu plotnost' - , i seichas, summiruya dannye razlichnyh eksperimentov, kosmologi polagayut =0.6--0.7 i =0.4--0.3).

Dlya provedeniya krupnomasshtabnyh eksperimentov v oblasti komp'yuternoi kosmologii (i ne tol'ko kosmologii: vsego v programme uchastvuet 6 komand uchenyh) v SShA sozdana nacional'naya informacionnaya infrastruktura (Partnership for Advanced Computational Infrastructure - PACI). Infrastruktura predpolagaet sozdanie moshnyh superkomp'yuterov, razvitie komp'yuternyh setei i sozdanie novyh metodov obrabotki dannyh i vychislenii. Kosmologicheskaya chast' programmy yavlyaetsya odnoi iz samyh vazhnyh, i ot ee uspeha vo mnogom zavisit sud'ba programmy vcelom.

Raschety predpolagaetsya provodit' v 3 izmereniyah v kube so storonoi 1 milliard svetovyh let, chto svyazano s programmoi Sloanovskogo cifrovogo obzora neba, kotoryi v sovsem nedalekom budushem pozvodit mnogokratno uvelichit' kolichestvo vnegalakticheskih ob'ektov s izvestnymi krasnymi smesheniyami. V etoi oblasti sosredotochena massa poryadka solnechnyh mass (bolee 99% etoi massy sostavlyaet temnaya materiya), poetomu, chtoby galaktika tipa nashei prestavlyalas' hotya by chasticami, a karlikovaya ellipticheskaya galatika hotya by odnoi, neobhodimo ispol'zovat' chastic (neskol'ko desyatiletii nazad v podobnyh raschetah ispol'zovalos' vsego 32 000 chastic), tak chto kazhdaya imeet massu okolo mass solnca. Dlya takih vychislenii trebuetsya okolo 100 Gb operativnoi pamyati i 1-2 Tb diskovogo prostranstva, pri etom skorost' obrasheniya k disku dolzhna byt' poryadka 0.27-0.55 Gb/s. Eto znachitel'no prevoshodit sushestvuyushie parametry vychislitel'nyh mashin. Dlya provedenie raschetov predpolagaetsya ispol'zovat' novoe pokolenie superkomp'yuterov s chislom processorov poryadka 1000 ili bol'she. Dlya napisaniya programm ispol'zuyutsya mnogoprocessornye modifikacii yazykov fortran i Si++.

Predpolagaetsya, chto v 2002 godu nachnutsya polonomasshtabnye raboty po etoi programme. Chto pozvolit, vmeste s novymi nablyudatel'nymi dannymi, sushestvenno prodvinut'sya v ponimanii vazhneishih kosmologicheskih voprosov.

Odnako, podobnye raschety v men'shih masshtabah nachalis' eshe v nachale 70-h godov i vedutsya v techenii pochti 30 let mnogochislennymi gruppami issledovatelei v raznyh stranah mira. Za eto vremya poyavilis' bolee sovershennye komp'yutery, byli sushestvenno uluchsheny matematicheskie metody i udalos' mnogogo dobit'sya v izuchenii obrazovaniya galaktik i ih skoplenii. Odnovremenno poyavlyalis' vse novye i novye eksperimental'nye dannye, chto kraine vazhno dlya postanovki pravil'nyh nachal'nyh uslovii i proverki rezul'tatov raschetov. Na protyazhenii etogo vremeni sovsem bylo utverdivshiisya vzglyad na Vselennuyu, kak odnorodnuyu i besstrukturnuyu na masshtabah svyshe neskol'kih megaparsek, prishlos' polnost'yu peresmotret'.

Esli 1970 g. v raschetah kollapsa oblaka, provodimyh Piblsom (P.J.E. Peebles), ispol'zovalos' vsego 300 chastic bez nachal'nyh skorostei, zatem v raschetah Vaita (S.D.M. White) bylo 700 chastic s raznoi massoi, to seichas ispol'zuetsya do chastic. V pionerskih rabotah rassmatrivalos' tol'ko gravitacionnoe vzaimodeistvie mezhdu chasticami (eto vozmozhno pri modelirovanii v masshtabah >5 Mpk, t.k. barionnoe veshestvo sostavlyaet lish' doli procenta ot temnoi materii), s konca 80-h godov blagodarya poyavleniyu bolee moshnyh komp'yuterov i razvitiyu matematicheskih metodov gravitaciya dopolnyaetsya gidrodinamikoi, t.e. v vychisleniya vklyucheny bariony i raschety s bol'shogo masshtaba mozhno dovesti do formirovaniya otdel'nyh galaktik i ucheta vliyaniya obrazovavshihsya zvezd (v pervuyu ochered' vzryvov sverhnovyh) na dinamiku zadachi. Modelirovanie s uchetom barionov, provedennoe Rochem (M. Rauch) s kollegami, predskazyvaet, v chastnosti, chto barionnaya chast' temnoi materii v nastoyashee vremya nahoditsya v gazoobraznom sostoyanii, a ne v vide kompaktnyh zvezdnyh ostatkov, korichnevyh karlikov ili podobnyh ob'ektov. Osnovnye problemy, reshaemye s uchetom barionnogo veshestva eto: formirovanie galaktik, rentgenovskoe izluchenie skoplenii galaktik, sistemy laiman-al'fa lesa (oni pozvolyayut poluchat' dannye o nevidimom veshestve, okazavshemsya mezhdu nami i dalekim kvazarom, t.e. o raspredelenii barionnogo veshestva vo Vselennoi) i problema otslezhivaniya obychnym veshestvom temnoi materii. Vse osnovnye rezul'taty po etim voprosam otnosyatsya uzhe k 90-m godam.

Uzhe pervye vychisleniya 70-h godov davali ves'ma interesnye rezul'taty. V posleduyushih rabotah po modelirovaniyu formirovaniya krupnomasshtabnoi struktury udalos' "pobedit' i unichtozhit'" model' goryachei temnoi materii, t.k. v raschetah ona ne davala dostatochno ob'ektov s bol'shimi krasnymi smesheniyami, z. Model', gde temnaya materiya yavlyaetsya smes'yu goryachei i holodnoi i model' s tol'ko holodnoi temnoi materiei i takzhe ne prohodyat po mnogim prichinam. V nastoyashee vremya naibolee populyarnoi yavlyaetsya model' holodnoi temnoi materii s lyambda chlenom, v znachitel'noi mere eto svyazano kak raz s rezul'tatami raschetov krupno-masshtabnoi struktury v ramkah etih predpolozhenii.

Krome razvitiya matematicheskih metodov sozdayutsya dazhe special'nye komp'yutery dlya modelirovaniya s pomosh'yu metoda mnogih chastic (chto podobno sozdaniyu special'nyh shahmatnyh komp'yuterov). Eto komp'yutery tipa sozdannoi v nachale 90-h godov v tokiiskom universitete mashiny GRAPE (GRAvity PipE), pozvolyayushie mnogokratno uskorit' vychisleniya. Takie otnositel'no nedorogie mashiny provodyat kosmologicheskie raschety bystree mnogih bolee dorogih superkomp'yuterov, no, pravda, ne yavlyayutsya universal'nymi vychislitel'nymi sredstvami, podobno obychnym komp'yuteram.

Komp'yuternaya kosmologiya, k sozhaleniyu, prakticheski ne razvivaetsya seichas u nas v strane, i vse nashi specialisty v etoi oblasti rabotayut zarubezhom. (hotya nekotoroe vremya nazad v gruppe akademika Ya.B.Zel'dovicha provodilis' v etom napravlenii raboty vysochaishego urovnya, i seichas mnogie uchenye iz etogo kollektiva uspeshno rabotayut v dannoi oblasti v SShA i Evrope), t.k. dazhe esli by udalos' kakim-to chudom naiti sredstva na pokupku moshnyh komp'yuterov i programmnogo obespecheniya, ih nel'zya budet vvesti v stranu iz-za sushestvuyushih ogranichenii, svyazannyh s nerasprostraneniem vysokih tehnologii, kotorye mogut byt' ispol'zovany dlya proizvodstva oruzhiya, a moshnye komp'yutery, estestvenno, popadayut pod eto ogranichenie v svyazi s neobhodimost'yu provedeniya slozhnyh vychislenii, naprimer, pri raschetah yadernogo vzryva. Tak chto budem poka nablyudat' so storony, kak astronomy i nablyudayut Vselennuyu.

Blagodarnosti: Avtor priznatelen Andreyu Kravcovu za predostavlennye risunki i ssylki, a takzhe za razlichnye konsul'tacii.

k.f-m.n. Sergei Popov (GAISh MGU)

Publikacii s klyuchevymi slovami: krupnomasshtabnaya struktura Vselennoi - Kosmologiya - kompaktnye ob'ekty - chislennoe modelirovanie Publikacii so slovami: krupnomasshtabnaya struktura Vselennoi - Kosmologiya - kompaktnye ob'ekty - chislennoe modelirovanie
Sm. takzhe: Razlozhenie dalekogo sveta Formirovanie galaktik v magnitnoi Vselennoi "Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe Sverhnovaya 1994D i neozhidannaya Vselennaya Kuda smeshaetsya krasnoe smeshenie? Samaya plotnaya galaktika Samaya dalekaya sverhnovaya tipa Ia Vse publikacii na tu zhe temu >>