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.
Специфичными являются и задачи, связанные с необходимостью детального учета эффектов общей теории относительности в сильном поле (предельным случаем является расчет слияния черных дыр). Развитие методов численного решения уравнений ОТО было (и является) мотивировано в первую очередь запросами астрофизиков. Так, например, для нужд гравитационно-волновых антенн было рассчитано несколько сотен тысяч вариантов слияний нейтронных звезд и черных дыр, чтобы получить формы ожидаемого сигнала. Это потребовало нескольких лет работы ряда научных групп в разных странах и стало интереснейшей вычислительной задачей в современной астрофизике.
Поскольку в астрономии в качестве источника информации мы можем использовать лишь излучение небесных объектов, важным элементом многих задач моделирования становится расчет излучательных свойств источников: спектры, параметры поляризации и др. Зачастую такие расчеты осложнены необходимостью учета множества деталей (например, огромного числа спектральных линий), а также физическими условиями, которые никогда не исследовались в лабораторном режиме из-за экстремальности тех или иных параметров. Библиотеки рассчитанных спектров являются чрезвычайно востребованными, и их, в частности, используют как входные данные для разнообразных компьютерных моделей.
Интересным методом численного моделирования, который активно применяется для исследования астрофизических задач, является так называемый популяционный синтез. Различают два варианта этого метода. Первый используется для моделирования интегральных характеристик больших звездных популяций, и с помощью такого подхода, например, рассчитывают интегральные спектры галактик, что важно для интерпретации наблюдательных данных. Второй – более разнообразный и распространенный – применяется для моделирования эволюции и наблюдательных проявлений популяций астрономических объектов, таких как радиопульсары или тесные двойные системы. Рассмотрим его несколько подробнее.