Zrozumienie Wszechświata i jego ewolucji w ciągu miliardów lat jest dość trudnym zadaniem. Z jednej strony polega na starannym spojrzeniu miliardów lat świetlnych w kosmos (a tym samym miliardów wstecz w czasie), aby zobaczyć, jak zmieniała się jego wielkoskalowa struktura w czasie. Następnie potrzebne są ogromne ilości mocy obliczeniowej, aby zasymulować, jak powinna ona wyglądać (w oparciu o znaną fizykę) i sprawdzić, czy się zgadzają.
Tak właśnie zrobił zespół astrofizyków z Uniwersytetu w Zurychu (UZH) przy użyciu superkomputera „Piz Daint”. Za pomocą tej zaawansowanej maszyny symulowali powstawanie całego naszego Wszechświata i stworzyli katalog około 25 miliardów wirtualnych galaktyk. Katalog ten zostanie wydany na pokładzie misji Euclid ESA w 2020 r., Która spędzi sześć lat na badaniu Wszechświata w celu zbadania ciemnej materii.
Praca zespołu została szczegółowo opisana w badaniu, które regularnie pojawiało się w czasopiśmie Astrofizyka obliczeniowa i kosmologia. Zespół pod przewodnictwem Douglasa Pottera spędził ostatnie trzy lata na opracowywaniu zoptymalizowanego kodu do opisania (z niespotykaną dokładnością) dynamiki ciemnej materii, a także tworzenia się wielkoskalowych struktur we Wszechświecie.
Kod, znany jako PKDGRAV3, został specjalnie zaprojektowany w celu optymalnego wykorzystania dostępnej pamięci i mocy obliczeniowej współczesnych architektur superkomputerowych. Po uruchomieniu na superkomputerze „Piz Daint” - znajdującym się w szwajcarskim Narodowym Centrum Komputerowym (CSCS) - przez okres zaledwie 80 godzin, udało mu się wygenerować wirtualny Wszechświat składający się z dwóch bilionów makrocząsteczek, z których katalog 25 wyodrębniono miliard wirtualnych galaktyk.
Nieodłącznym elementem ich obliczeń był sposób, w jaki płyn ciemnej materii ewoluowałby pod własnym ciężarem, prowadząc w ten sposób do powstania małych stężeń zwanych „aureolami ciemnej materii”. To w obrębie tych aureoli - teoretycznego elementu, o którym uważa się, że wykracza daleko poza widzialny zasięg galaktyki - uważa się, że powstały galaktyki takie jak Droga Mleczna.
Oczywiście stanowiło to nie lada wyzwanie. Wymagało to nie tylko dokładnego obliczenia ewolucji struktury ciemnej materii, ale także rozważenia, w jaki sposób wpłynie to na każdą inną część Wszechświata. Jak Joachim Stadel, profesor z Centrum Astrofizyki Teoretycznej i Kosmologii UZH i współautor artykułu, powiedział Space Magazine pocztą elektroniczną:
„Symulowaliśmy 2 tryliony takich„ kawałków ”ciemnej materii, największe tego typu obliczenia, jakie kiedykolwiek przeprowadzono. Aby to zrobić, musieliśmy zastosować technikę obliczeniową znaną jako „szybka metoda wielobiegunowa” i jeden z najszybszych komputerów na świecie, „Piz Daint” w szwajcarskim Narodowym Centrum Superkomputerów, które ma między innymi bardzo szybkie procesory graficzne (GPU), które umożliwiają ogromne przyspieszenie obliczeń zmiennoprzecinkowych niezbędnych w symulacji. Ciemna materia skupia się w ciemne „halo”, które z kolei zawierają galaktyki. Nasze obliczenia dokładnie określają rozkład i właściwości ciemnej materii, w tym halo, ale galaktyki wraz ze wszystkimi ich właściwościami muszą być umieszczone w tych aureolach za pomocą modelu. Ta część zadania została wykonana przez naszych kolegów w Barcelonie pod kierunkiem Pablo Fossalby i Francisco Castandera. Galaktyki te mają następnie oczekiwane kolory, rozkład przestrzenny i linie emisji (ważne dla widm obserwowanych przez Euclida) i mogą być użyte do testowania i kalibracji różnych systematyki i błędów losowych w całym rurociągu instrumentalnym Euclidu. ”
Dzięki wysokiej precyzji obliczeń zespół był w stanie stworzyć katalog spełniający wymagania misji Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, której głównym celem jest eksploracja „ciemnego wszechświata”. Tego rodzaju badania są niezbędne do zrozumienia Wszechświata w największej skali, głównie dlatego, że ogromna większość Wszechświata jest ciemna.
Między 23% Wszechświata, który składa się z ciemnej materii, a 72%, które składa się z ciemnej energii, tylko jedna dwudziesta Wszechświata składa się z materii, którą możemy zobaczyć za pomocą normalnych instrumentów (inaczej „świetlnych”) lub materia barytonowa). Pomimo zaproponowania odpowiednio w latach 60. i 90. ciemna materia i ciemna energia pozostają dwiema największymi tajemnicami kosmologicznymi.
Biorąc pod uwagę, że ich istnienie jest wymagane do działania naszych aktualnych modeli kosmologicznych, ich istnienie można było wywnioskować jedynie poprzez pośrednią obserwację. Właśnie to zrobi misja Euklidesowa w trakcie swojej sześcioletniej misji, która będzie polegać na przechwytywaniu światła z miliardów galaktyk i mierzeniu go pod kątem subtelnych zniekształceń spowodowanych obecnością masy na pierwszym planie.
W podobny sposób, w jaki pomiar światła w tle może być zniekształcony przez obecność pola grawitacyjnego między nim a obserwatorem (tj. Uświęcony czas test ogólnej teorii względności), obecność ciemnej materii wywiera grawitacyjny wpływ na światło. Jak wyjaśnił Stadel, ich symulowany Wszechświat będzie odgrywał ważną rolę w tej misji Euclid - zapewniając ramy, które będą używane podczas i po misji.
„Aby przewidzieć, jak dobrze obecne składniki będą w stanie wykonać dany pomiar, należy stworzyć Wszechświat wypełniony galaktykami jak najbliżej rzeczywistego obserwowanego Wszechświata” - powiedział. „Ten„ fałszywy ”katalog galaktyk został wygenerowany z symulacji i będzie teraz wykorzystywany w ten sposób. Jednak w przyszłości, gdy Euclid zacznie pobierać dane, będziemy również musieli użyć takich symulacji, aby rozwiązać odwrotny problem. Będziemy wtedy musieli wziąć obserwowany Wszechświat i określić podstawowe parametry kosmologii; połączenie, które obecnie może być wykonane z wystarczającą precyzją tylko w dużych symulacjach, takich jak ta, którą właśnie wykonaliśmy. Jest to drugi ważny aspekt tego, jak działa taka symulacja [i] ma kluczowe znaczenie dla misji Euclid. ”
Na podstawie danych Euclid naukowcy mają nadzieję uzyskać nowe informacje na temat natury ciemnej materii, ale także odkryć nową fizykę, która wykracza poza standardowy model fizyki cząstek - tj. Zmodyfikowaną wersję ogólnej teorii względności lub nowy rodzaj cząstek. Jak wyjaśnił Stadel, najlepszym rezultatem misji byłby taki, w którym wyniki nie zgodne z oczekiwaniami.
„Chociaż z pewnością dokona najdokładniejszych pomiarów podstawowych parametrów kosmologicznych (takich jak ilość ciemnej materii i energii we Wszechświecie), o wiele bardziej ekscytujące byłoby zmierzenie czegoś, co jest w konflikcie lub przynajmniej jest w napięciu z obecny model „standardowej zimnej ciemnej materii lambda” (LCDM) ”, powiedział. „Jednym z największych pytań jest to, czy tak zwana„ ciemna energia ”tego modelu jest w rzeczywistości formą energii, czy też jest bardziej poprawnie opisana przez modyfikację ogólnej teorii względności Einsteina. Chociaż możemy po prostu zacząć zarysowywać powierzchnię takich pytań, są one bardzo ważne i mogą potencjalnie zmienić fizykę na bardzo podstawowym poziomie. ”
W przyszłości Stadel i jego koledzy mają nadzieję przeprowadzić symulacje kosmicznej ewolucji uwzględniające zarówno ciemną materię i ciemna energia. Któregoś dnia te egzotyczne aspekty przyrody mogą stanowić filary nowej kosmologii, która wykracza poza fizykę Modelu Standardowego. W międzyczasie astrofizycy z całego świata prawdopodobnie z zapartym tchem zaczekają na pierwszą partię wyników misji Euclid.
Euklides jest jedną z kilku misji, które obecnie zajmują się polowaniem na ciemną materię i badaniem, w jaki sposób ukształtowała ona nasz Wszechświat. Inne obejmują eksperyment Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) na pokładzie ISS, badanie ESO Kilo Degree Survey (KiDS) oraz Large Hardon Collider CERN. Przy odrobinie szczęścia te eksperymenty ujawnią elementy kosmicznej układanki, która od dziesięcioleci pozostaje nieuchwytna.
