Razumijevanje Svemira i kako se on razvijao tijekom milijardi godina prilično je zastrašujući zadatak. S jedne strane, to uključuje mukotrpno gledanje milijardi svjetlosnih godina u duboki svemir (a time i milijarde godina unatrag) kako bi se vidjelo kako se njegova struktura velikih razmjera vremenom mijenjala. Tada su potrebne ogromne količine računalne snage da bi se simuliralo kako bi to trebalo izgledati (na temelju poznate fizike) i vidjeti ako se podudaraju.
To je učinio tim astrofizičara sa Sveučilišta u Zürichu (UZH) koristeći superračunalo "Piz Daint". Pomoću ovog sofisticiranog stroja simulirali su stvaranje čitavog našeg Svemira i proizveli katalog s oko 25 milijardi virtualnih galaksija. Ovaj će katalog biti lansiran na put ESA-ove misije Euclid 2020. godine, koja će provesti šest godina istražujući Svemir radi istraživanja mračne materije.
Rad tima bio je detaljan u studiji koja se jasno pokazala u časopisu Računalna astrofizika i kozmologija. Predvođen Douglasom Potterom, tim je proveo posljednje tri godine razvijajući optimizirani kod kako bi opisao (s neviđenom preciznošću) dinamiku tamne materije kao i formiranje velikih razmjera u svemiru.
Kod, poznat kao PKDGRAV3, posebno je dizajniran kako bi optimalno iskoristio raspoloživu memoriju i moć obrade modernih superračunalnih arhitektura. Nakon što je izveden na superračunalu "Piz Daint" - smještenom u Švicarskom nacionalnom računskom centru (CSCS) - u periodu od samo 80 sati, uspio je stvoriti virtualni svemir od dva trilijuna makro čestica, iz kojeg je katalog od 25 izvađeno je milijardu virtualnih galaksija.
Svojim izračunom bio je način na koji bi se tekućina tamne tvari razvijala pod njegovom vlastitom gravitacijom, što je dovelo do stvaranja malih koncentracija poznatih kao "halosi tamne materije". Vjeruje se da se unutar ovih halosa - teorijske komponente koja se proteže znatno izvan vidljivog opsega galaksije - formiraju galaksije poput Mliječnog puta.
To je, naravno, predstavljalo prilično izazov. Zahtijevao je ne samo precizan izračun kako se razvija struktura tamne materije, već je tražio i da razmotre kako će to utjecati na svaki drugi dio Svemira. Kao što je Joachim Stadel, profesor s Centra za teorijsku astrofiziku i kozmologiju na UZH, i koautor na papiru, rekao za Space Magazine e-poštom:
„Simulirali smo 2 trilijuna takvih„ komada “od tamne materije, što je najveći izračun ove vrste ikada izveden. Da bismo to učinili, morali smo upotrijebiti tehniku računanja koja je poznata kao "metoda brze multipole" i upotrijebiti jedno od najbržih računala na svijetu, "Piz Daint", u švicarskom Nacionalnom centru za superračunalu, koji između ostalog ima vrlo brze grafičke procesorske jedinice (GPU-ovi) koji omogućuju ogromno ubrzanje izračunavanja plutajuće točke potrebne za simulaciju. Tamna tvar se svodi u tamnu tvar "halose" koji zauzvrat sadrže galaksije. Naš izračun točno daje raspodjelu i svojstva tamne materije, uključujući haloge, ali galaksije, sa svim svojim svojstvima, moraju biti smještene unutar tih halosa pomoću modela. Ovaj dio zadatka izvršili su naši kolege u Barceloni pod vodstvom Pabla Fossalbe i Francisca Castandera. Te galaksije tada imaju očekivanu boju, prostornu raspodjelu i emisione vodove (važne za spektar koji promatra Euclid) i mogu se koristiti za testiranje i umjeravanje različitih sistematika i slučajnih pogrešaka unutar cijelog instrumentalnog cjevovoda Euclid. "
Zahvaljujući visokoj preciznosti njihovih izračuna, tim je uspio izraditi katalog koji je udovoljavao zahtjevima misije Euclid Europske svemirske agencije, čiji je glavni cilj istražiti "mračni svemir". Ovakva vrsta istraživanja ključna je za razumijevanje Svemira na najvećim mjerilima, uglavnom zato što je velika većina Svemira mračna.
Između 23% Svemira kojeg sačinjava tamna tvar i 72% koji se sastoji od tamne energije, samo je jedna dvadesetina Svemira zapravo sastavljena od materije koju možemo vidjeti s normalnim instrumentima (aka. "Svjetlucavi" ili barijenske materije). Iako su predložene tijekom 1960-ih i 1990-ih, tamna tvar i tamna energija i dalje su dvije najveće kozmološke misterije.
S obzirom da je njihovo postojanje potrebno kako bi radili naši trenutni kozmološki modeli, njihovo postojanje je ikada zaključeno posrednim promatranjem. Upravo će to misija Euclid učiniti tijekom svoje šestogodišnje misije, a sastojat će se od toga da hvata svjetlost iz milijardi galaksija i mjeri je za suptilna izobličenja uzrokovana prisutnošću mase u prvom planu.
Otprilike na isti način na koji se mjerenje pozadinske svjetlosti može izobličiti prisutnošću gravitacijskog polja između njega i promatrača (tj. Vremenski testiran općeniti relativitet), prisutnost tamne materije će izvršiti gravitacijski utjecaj na svjetlost. Kao što je Stadel objasnio, njihov simulirani svemir će igrati važnu ulogu u ovoj Euclid misiji - pružajući okvir koji će se koristiti tijekom i nakon misije.
"Da bi se predvidjelo koliko će trenutne komponente moći izvršiti dano mjerenje, mora se stvoriti Svemir naseljen galaksijama što je bliže stvarnom promatranom Svemiru", rekao je. "Ovaj" izruženi "katalog galaksija generiran je simulacijom i sada će se koristiti na ovaj način. Međutim, u budućnosti kada Euclid počne uzimati podatke, trebat ćemo koristiti i ovakve simulacije za rješavanje obrnutog problema. Tada ćemo biti u mogućnosti uzeti promatrani svemir i odrediti temeljne parametre kozmologije; veza koja se trenutno može uspostaviti u dovoljnoj preciznosti samo velikim simulacijama poput one koju smo upravo izveli. To je drugi važan aspekt rada takvih simulacija [i] u središtu misije Euclid. "
Iz Euclid podataka, istraživači se nadaju da će dobiti nove informacije o prirodi tamne materije, ali i otkriti novu fiziku koja nadilazi standardni model fizike čestica - tj. Modificiranu verziju opće relativnosti ili novu vrstu čestica. Kako je objasnio Stadel, najbolji ishod misije bio bi onaj u kojem bi to bili rezultati ne u skladu s očekivanjima.
"Iako će sigurno napraviti najtačnija mjerenja osnovnih kozmoloških parametara (poput količine tamne materije i energije u Univerzumu), daleko uzbudljivije bi bilo izmjeriti nešto što je u sukobu ili, u najmanju ruku, u napetosti s trenutni model "standardne lambda hladne tamne materije" (LCDM) ", rekao je. „Jedno od najvećih pitanja je da li je tzv.„ Tamna energija “ovog modela zapravo oblik energije ili je to ispravnije opisano izmjenom Einsteinove opće teorije relativnosti. Iako ćemo tek početi grebati po površini takvih pitanja, ona su vrlo važna i imaju potencijal mijenjanja fizike na vrlo temeljnoj razini. "
U budućnosti se Stadel i njegovi kolege nadaju da će pokrenuti simulacije kozmičke evolucije koje uzimaju u obzir obje tamne materije i tamna energija. Jednog dana ovi egzotični aspekti prirode mogli bi tvoriti stupove nove kozmologije, one koja nadilazi fiziku Standardnog modela. U međuvremenu, astrofizičari iz cijelog svijeta vjerojatno će čekati prvu seriju rezultata iz misije Euclid sa zadihanim dahom.
Euclid je jedna od nekoliko misija koja se trenutno bavi lovom na tamnu tvar i proučavanjem kako je oblikovala naš Svemir. Ostali uključuju eksperiment Alfa magnetski spektrometar (AMS-02) na ISS-u, ESO-ovo istraživanje stupnjeva kilograma (KiDS) i CERN-ov veliki Harddonov sudarač. Srećom, ovi će eksperimenti otkriti dijelove kozmološke slagalice koji su desetljećima ostali neuhvatljivi.
