Головним завданням астрофізики, за великим рахунком, є спроба описати світ навколо нас мовою математики. Мати такий опис - означає вміти передбачити його стан у будь-який момент часу. Кеплер, який описав рух планет за допомогою своїх трьох законів, дав нам можливість в будь-яку секунду дізнатися, де зараз знаходиться Юпітер, Земля або будь-яка планета у Всесвіті, якщо нам відомі якісь вихідні дані. Те ж саме завдання, але вже в масштабах усього Всесвіту, ставлять перед собою творці космологічних симуляцій.
У цього підходу (досі єдиного, доступного людству) є два недоліки: по-перше, кожен закон працює тільки в якомусь наближенні. Так, закони Кеплера є приватним випадком закону тяжіння Ньютона, який є приватним випадком Загальної теорії відносності Ейнштейна, яка узагальнюється ще більш всеосяжною, але поки невідкритою теорією. А по-друге, всі фізичні закони працюють одночасно, тому навіть застосовуючи ОТГ ми не отримаємо точну траєкторію Землі, якщо не будемо враховувати тиск сонячного світла, впливу магнітних полів, вплив метеоритів, пилу, темної матерії і так далі.
Таким чином, повністю описати стан будь-якого тіла або явища математично можна, але це буде набір рівнянь з усіх областей фізики, які ще треба звести один з одним. А якщо таких тіл багато і вони всі взаємодіють один з одним? І це ще ми не враховуємо той факт, що ми розуміємо фізику тільки 4 відсотків матерії Всесвіту, в той час як решта 96 відсотків (темна матерія і темна енергія) впливають на нас, але до кінця не вивчені і їх склад ми не розуміємо.
Як же в такому випадку зрозуміти, як спочатку однорідний і досить одноманітний за складом Всесвіт перетворився на таке цікаве місце для життя? Спостереження в телескопи допомагають проникати в таємниці Всесвіту, але обмеження тут такі ж як і в стриптиз-барі: «дивитися можна, чіпати не можна», ми бачимо зірки і галактики тільки так, як вони дозволяють нам розглянути їх. Ні повернути, ні наблизити, ні штучно зіштовхнути їх ми не можемо. Роботи астрофізиків-теоретиків, звичайно, допомагають додати кілька шматочків у дуже фрагментований пазл під назвою «що ми знаємо про Всесвіт», але їх передбачення буває важко перевірити. Особливо це стосується космологів, які розбираються з першими миттєвостями життя Всесвіту. А найчастіше одночасно співіснують кілька теорій, які по різному пояснюють одні й ті ж спостережливі явища, так що ситуація стає тільки більш заплутаною.
Наскільки ж зручніше було б мати весь Всесвіт на комп'ютері, щоб його можна було повернути зручним нам боком, розглянути в деталях, зупинити час або відмотати його на кілька мільярдів років назад і заново подивитися цей захоплюючий ролик! Саме тут нам потрібні симуляції.
Космологічна симуляція - це програма, якою задається початковий стан деякої кількості частинок і закони їх поведінки. Після цього вона надається сама собі і розраховує властивості і взаємодію цих частинок у часі (кожна частинка може бути зіркою, галактикою, ділянкою темної матерії конкретної маси або просто таким собі об'ємом Всесвіту обмеженого розміру). Космологічні симуляції зараз - це не просто спосіб отримання красивих роликів. Це ще один спосіб пізнання всесвіту. За результатами подібних обчислень пишуться наукові статті та захищаються дисертації. І якщо передбачення симуляцій раптом не сходяться з результатами спостережень, то, - як це не парадоксально на перший погляд, - це не завжди вказує на помилки в програмі. Найчастіше це стає вагомою причиною переглянути існуючу інтерпретацію спостережень.
Спроби моделювати фізичні системи на комп'ютері почалися практично одночасно з появою комп'ютерів (розрахунок міцності моста або підйомної сили крила літаку, наприклад, це теж свого роду симуляція). Та й усі ми, хто на уроках інформатики писали просту програму з руху пружних тіл у замкненій системі, фактично, робили найпростішу космологічну симуляцію. Однак, якісний стрибок в складності подібних програм стався в кінці XX століття, коли обчислювальні потужності комп'ютерів дозволили одночасно прораховувати властивості (положення, імпульс і масу) частинок, описуваних більш складними законами, ніж просто упруге співударіння.
Iillustris