Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Давайте метафорически представим себе невидимый пространственно-временной континуум в виде ткани. Холст окрашен гравитацией. До сих пор мы только растягивали холст пустого пространственно-временного континуума (илл. 41). Общая теория относительности – это геометрическая теория гравитации, поэтому пространственно-временной холст изгибается, если где-либо имеется масса; он также может иметь проколы, разрывы и складки. Холст является трехмерным и не поддается визуализации. Однако это еще не все. Черная дыра в реальной Вселенной окружена излучением, горячим газом, высокоэнергетическими частицами и магнитным полем.

Мы рассматриваем три уровня сложности. Первый уровень – сложные взаимодействия частиц и излучения. На втором уровне добавляются магнитные поля. Третий включает гравитацию. В настоящее время ученые исследуют метод релятивистской магнитогидродинамики – верное средство оборвать разговор на любой вечеринке. Если прибегнуть к аналогии с играми, три уровня сложности соотносятся друг с другом, как шашки с шахматами, а те – с японской игрой го. В этом спектре технических возможностей я очень хорош в шашках, кое-что могу в шахматах, но совершенно беспомощен в го. Полный численный анализ ставит целью описать сложную астрофизику не только черной дыры, но также аккреционного диска и парных джетов [233]. Это мастерский уровень моделирования черных дыр. Менее 100 человек в мире имеют техническую подготовку, необходимую для этой работы.

На компьютерах можно моделировать маленькие черные дыры, но что делать с большими, которые живут в центрах галактик? На этот вопрос ответит Саймон Дэвид Мэнтон Уайт, член Королевского научного общества и директор Института астрофизики Макса Планка в Гархинге. Он творит чудеса с компьютерным моделированием гравитации, поэтому будем звать его Чародеем. У Чародея печальный взгляд, аккуратные усы и седеющая курчавая грива. Он выглядит усталым, но любой устанет, создавая Вселенную с нуля.

Чародей получил степень доктора философии в Кембридже под руководством Дональда Линден-Белла, передового мыслителя и предсказателя черных дыр. На его счету более 400 публикаций в рецензируемых изданиях и свыше 100 000 случаев цитирования – умопомрачительные показатели, возносящие его на недостижимые высоты в данной науке. Это эксперт мирового уровня по свойствам темной материи и формированию структуры Вселенной [234].

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.