Razumevanje vesolja in kako se je razvijalo skozi milijarde let je precej zastrašujoča naloga. Po eni strani vključuje premišljeno iskanje milijard svetlobnih let v vesolje (in s tem milijard let nazaj v čas), da bi videl, kako se je njegova obsežna struktura sčasoma spreminjala. Nato so potrebne ogromne količine računalniške moči, da bi simulirali, kako naj bi izgledalo (na podlagi znane fizike) in videli, ali se ujemajo.
To je storila ekipa astrofizikov z Univerze v Zürichu (UZH), ki je uporabila superračunalnik Piz Daint. S tem izpopolnjenim strojem so simulirali nastanek celotnega našega Vesolja in izdelali katalog s približno 25 milijardami virtualnih galaksij. Ta katalog bo predstavljen na misiji ESA Euclid leta 2020, ki bo šest let preizkusila vesolje zaradi raziskovanja temne snovi.
Delo ekipe je bilo podrobno opisano v študiji, ki se je v reviji pojavila brezhibno Računalniška astrofizika in kozmologija. Skupina pod vodstvom Douglasa Potterja je zadnja tri leta razvijala optimizirano kodo, s katero je (z neslučeno natančnostjo) opisala dinamiko temne snovi in oblikovanje obsežnih struktur v vesolju.
Koda, znana kot PKDGRAV3, je bila zasnovana posebej za optimalno uporabo razpoložljivega pomnilnika in procesne moči sodobnih superračunalniških arhitektur. Potem, ko je bil izveden v superračunalniku "Piz Daint" - ki se nahaja v Švicarskem nacionalnem računalniškem centru (CSCS) - za samo 80 ur, je uspel ustvariti virtualno vesolje z dvemi bilijoni makro delcev, iz katerih je bil katalog 25 bilo je izvlečenih milijarda virtualnih galaksij.
Pri njihovih izračunih je bilo bistveno, kako se bo tekočina temne snovi razvijala pod lastno gravitacijo, kar je vodilo do tvorbe majhnih koncentracij, imenovanih "halosi temne snovi". V teh halosih - teoretični komponenti, za katero se domneva, da presega vidni obseg galaksije - se verjame, da so se oblikovale galaksije, kot je Mlečna pot.
Seveda je to predstavljalo velik izziv. Zahteval je ne le natančen izračun, kako se razvija struktura temne snovi, temveč tudi, da razmislijo, kako bi to vplivalo na vse druge dele vesolja. Kot je za Space Magazine po e-pošti povedal Joachim Stadel, profesor s Centra za teoretsko astrofiziko in kozmologijo na UZH in soavtor prispevka:
"Simulirali smo 2 trilijona takšnih" kosov "temnega materiala, kar je največji izračun te vrste, kar je bilo doslej izvedeno. Za to smo morali uporabiti tehniko računanja, imenovano "metoda hitrega večpola", in v Švicarskem nacionalnem centru za superračunalništvo uporabiti enega najhitrejših računalnikov na svetu, "Piz Daint", ki ima med drugim zelo enote za obdelavo grafike (GPU), ki omogočajo ogromno pospešitev izračunov s plavajočo točko, potrebnih pri simulaciji. Temna snov se združuje v "halo" temne snovi, ki pa vsebuje galaksije. Naš izračun natančno daje porazdelitev in lastnosti temne snovi, vključno s halosi, vendar morajo biti galaksije z vsemi njihovimi lastnostmi umeščene v te haloge z uporabo modela. Ta del naloge so naši kolegi v Barceloni opravili pod vodstvom Pabla Fossalbe in Francisca Castanderja. Te galaksije imajo nato pričakovane barve, prostorsko porazdelitev in emisijske črte (pomembne za spektre, ki jih opazuje Euclid) in jih je mogoče uporabiti za preskušanje in umerjanje različnih sistematik in naključnih napak v celotnem instrumentu Euclid. "
Zahvaljujoč visoki natančnosti njihovih izračunov je ekipa uspela sestaviti katalog, ki je ustrezal zahtevam misije Evropske vesoljske agencije Euclid, katerega glavni cilj je raziskati "temno vesolje". Tovrstne raziskave so bistvene za razumevanje Vesolja na največjih lestvicah, predvsem zato, ker je velika večina Vesolja temna.
Med 23% vesolja, ki ga sestavlja temna snov, in 72%, ki ga sestavlja temna energija, je samo ena dvajseta vesolje dejansko sestavljena iz materije, ki jo lahko vidimo z običajnimi instrumenti (aka. "Svetlobni" ali barionske snovi). Kljub temu, da sta bila predlagana v šestdesetih in devetdesetih letih, temna snov in temna energija ostajata dve največji kozmološki skrivnosti.
Glede na to, da je njihov obstoj potreben za delovanje naših trenutnih kozmoloških modelov, je bil njihov obstoj sklepan le s posrednim opazovanjem. Prav to bo storila misija Euclid v času svoje šestletne misije, ki bo sestavljena iz tega, da bo zajemala svetlobo iz milijard galaksij in jo merila za subtilna popačenja, ki jih povzroči prisotnost mase v ospredju.
Približno tako, da lahko merjenje svetlobe v ozadju izkrivljamo, če med njo in opazovalcem gravitacijsko polje (tj. Časovni test splošne relativnosti) povzroči, da bo prisotnost temne snovi gravitacijsko vplivala na svetlobo. Kot je pojasnil Stadel, bo njihovo simulirano vesolje igralo pomembno vlogo v tej misiji Euclid - zagotavljalo bo okvir, ki se bo uporabljal med in po misiji.
"Da bi napovedovali, kako dobro bodo trenutne komponente lahko izvedle določeno meritev, je treba ustvariti vesolje, naseljeno z galaksijami, čim bližje resničnemu opazovanemu vesolju," je dejal. »Ta 'mock' katalog galaksij je bil ustvarjen s simulacijo in bo zdaj uporabljen na ta način. Toda v prihodnosti, ko bo Euclid začel zbirati podatke, bomo morali uporabiti tudi takšne simulacije za rešitev obratnega problema. Nato bomo morali sprejeti opazovano Vesolje in določiti temeljne parametre kozmologije; povezavo, ki jo trenutno lahko izvedemo z zadostno natančnostjo samo z velikimi simulacijami, kot je bila pravkar izvedena. To je drugi pomemben vidik, kako deluje taka simulacija [in] osrednjega pomena za misijo Euclid. "
Iz Euclidovih podatkov raziskovalci upajo, da bodo pridobili nove informacije o naravi temne snovi, pa tudi odkrili novo fiziko, ki presega standardni model fizike delcev - tj. Spremenjeno različico splošne relativnosti ali novo vrsto delcev. Kot je pojasnil Stadel, bi bil najboljši rezultat misije tisti, v katerem so rezultati ne v skladu s pričakovanji
"Čeprav bo zagotovo najbolj natančno izmeriti temeljne kozmološke parametre (na primer količino temne snovi in energije v vesolju), bi bilo veliko bolj vznemirljivo merjenje nečesa, kar je v nasprotju ali, vsaj, v napetosti s trenutni model "standardne lambda hladne temne snovi" (LCDM), "je dejal. "Eno največjih vprašanj je, ali je tako imenovana" temna energija "tega modela pravzaprav oblika energije ali je to bolj pravilno opisano s spremembo splošne teorije relativnosti Einsteina. Medtem ko bomo morda šele začeli praskati po površini takšnih vprašanj, so zelo pomembna in lahko spremenijo fiziko na zelo temeljni ravni. "
V prihodnosti Stadel in njegovi sodelavci upajo, da bodo izvajali simulacije kozmične evolucije, ki bi upoštevali tako temno snov in temna energija. Nekoč bi lahko ti eksotični vidiki narave tvorili stebre nove kozmologije, ki presega fiziko standardnega modela. Medtem bodo astrofiziki z vsega sveta verjetno čakali na prvo serijo rezultatov misije Euclid z vabo.
Euclid je ena izmed več misij, ki se trenutno ukvarja z lovom na temno snov in s preučevanjem, kako je oblikovala naše vesolje. Drugi vključujejo eksperiment Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) na ISS, ESO-jevo raziskovanje stopnje Kilo (KiDS) in CERN-ov veliki trdi trkalnik. S srečo bodo ti poskusi razkrili koščke kozmološke sestavljanke, ki že desetletja ostajajo nedostopni.
