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

Для популяционного синтеза, как и для многих других видов компьютерного моделирования в астрофизике, существует много общедоступных программ с открытым кодом. Это, к счастью, довольно распространенная тенденция. Существуют депозитарии, в которых находятся сотни исходных кодов для решения различных астрофизических задач (например, сайт ascl.net – Astrophysics Source Code Library, ASCL). Разумеется, и результаты расчетов во многих случаях делаются общедоступными. Особенно это актуально в случае большого космологического моделирования.

Компьютерное моделирование медленно, но верно движется к реализации «вселенной в компьютере». Недавно важные новые результаты были получены в подходе «сверху вниз»: моделирование начинается в относительно молодой вселенной (спустя десятки миллионов лет после начала расширения), задается состояние вещества во вселенной (доли темного вещества, темной энергии, обычного вещества, излучения, динамика расширения и т. д.), неоднородности в распределении материи и другие параметры, которые в данном случае рассматриваются как начальные (их получение само может основываться на численном моделировании более ранней истории вселенной), а после этого изучается возникновение и эволюция крупномасштабной структуры вселенной. Первые такие расчеты начались около полувека назад, однако новые технические возможности позволяют добиться огромного прогресса в точности и детализации.

Задачей-максимум является создание «вселенной в компьютере» – от Большого взрыва до отдельных галактик.

Примером недавних расчетов, начинающихся с первичных неоднородностей плотности и заканчивающихся детализацией на уровне структурных элементов карликовых галактик, является проект Illustris и его развитие IllustrisTNG (The Next Generation), а также другие аналогичные проекты, как, например, EAGLE. Результаты Illustris можно сравнивать с наблюдениями как на уровне параметров крупномасштабной структуры, так и на масштабе групп галактик (например, Местной группы) и даже на масштабе отдельных галактик. Можно найти в расчетах галактику, похожую на наблюдаемую, и отследить ее историю, изучив формирование тех или иных структур. Разумеется, компьютерные модели не могут воспроизвести все многообразие реальных процессов, происходящих на разных масштабах. Однако совершенствование моделей позволяет решать все более широкий круг проблем, сопоставляя с наблюдениями результаты расчетов.

Разумеется, в космологических расчетах с высокой степенью детализации не происходит реального моделирования каждого отдельного элемента структуры. Иными словами, когда расчеты доходят до свойств отдельных галактик, не происходит моделирования звездообразования в ней, начиная с неоднородностей межзвездной среды. Вместо этого в большом моделировании используются данные детальных расчетов звездообразования, на основе которых сформулированы определенные закономерности, представленные в аналитическом или табличном виде. Происходит слияние подхода «сверху вниз» (от космологии к галактикам) с подходом «снизу вверх» (от свойств межзвездной среды к галактике). Кроме того, эти данные можно объединять с популяционными расчетами, в результате чего мы постепенно приближаемся к «реалистичной вселенной в компьютере».

Оценки показывают, что полный объем имеющихся астрономических данных измеряется петабайтами. А в ближайшем будущем с вводом в строй таких установок, как SKA, LSST, CTA и др., темп получения данных составит десятки петабайт в год! Это не только прямые данные наблюдений, но и результаты крупных численных экспериментов, расчеты различных параметров (например, спектральных) и многое другое. В связи с этим возникает несколько проблем.

Поток разнородных астрономических данных постоянно растет.

Во-первых, данных просто много. Организация их хранения, доступа к ним и систем поиска – очень нетривиальная задача как с точки зрения технических решений, так и с точки зрения финансов. Во-вторых, важно иметь возможность быстро сопоставлять данные, полученные разными установками в разное время. Для этого нужна некая единая система, где данные можно было бы преобразовывать в общепринятые форматы. В эту систему должны быть инкорпорированы (или прямо в ней разработаны) программные инструменты для научного анализа, нужна поддержка разработчиков программного обеспечения и конечных пользователей. Все это планируется объединить в проекте Международной виртуальной обсерватории – www.ivoa.net.

Формально работа над проектом началась в 2002 г., когда был создан Международный альянс Виртуальной обсерватории (International Virtual Observatory Alliance, IVOA). Сейчас в него входит более 20 национальных виртуальных обсерваторий, а также объединенный европейский проект и Европейское космическое агентство. Наиболее активно работа идет в рамках американской Виртуальной обсерватории, где соответствующая деятельность началась в 2000 г. Но не отстает и Европа (тем более что одним из крупнейших депозитариев астрономических данных является центр в Страсбурге – Centre de Données astronomiques de Strasbourg, CDS), где благодаря усилиям Европейской южной обсерватории, британского проекта AstroGrid и других групп ученых также разрабатывались и разрабатываются системы хранения, обработки и доступа, которые в итоге должны стать частью единой сети. Многие новые крупные астрономические проекты разрабатывают свои будущие форматы данных и работы с ними уже с учетом идей Виртуальной обсерватории.

Виртуальная обсерватория должна создать единое поле для работы с астрономическими данными.

Основная цель этого проекта – сделать работу с астрономическими данными максимально эффективной. Это требует обеспечения открытого доступа к максимальному количеству данных в максимально удобной (для конечного пользователя – ученого) форме. Самая важная составляющая работы группы по созданию Виртуальной обсерватории – это разработка единого представления данных. Опыт показал, что нельзя просто «сверху» ввести какой-то общий протокол и надеяться, что все начнут ему следовать. Поэтому в настоящее время идет довольно сложная работа по процедурам, которые позволят преобразовывать уже имеющиеся данные таким образом, чтобы их использование было максимально удобно пользователям, применяющим популярные в астрономии программные средства.

Сайт Виртуальной обсерватории – ivoa.net.

Разработчики Виртуальной обсерватории выделяют еще несколько важных задач. Это создание инфраструктуры, разработка научных приложений, мониторинг существующих сетей и проектов на предмет их соответствия используемым стандартам, разработка средств для установления и поддержания такого соответствия и, наконец, поддержка конечных пользователей.