Az univerzum megértése és annak fejlődése milliárd éven keresztül meglehetősen ijesztő feladat. Egyrészt ez magában foglalja a milliárd fényév mély űrbe való óvatos betekintését (és ezáltal több milliárd évvel később az időbe), hogy megnézze, hogyan változott annak nagy struktúrája az idő múlásával. Ezután hatalmas mennyiségű számítási teljesítményre van szükség annak szimulálására, hogy miként kell kinéznie (az ismert fizika alapján), és megnézni, hogy ezek megfelelnek-e.
Ezt tette a Zürichi Egyetemen (UZH) lévő asztrofizikusok csapata a “Piz Daint” szuperszámítógéppel. Ezzel a kifinomult gépen szimulálták az egész világegyetem kialakulását, és körülbelül 25 milliárd virtuális galaxis katalógust készítettek. Ezt a katalógust 2020-ban indítják az ESA Euclid missziója fedélzetén, amely hat évig az Univerzumot próbálja tölteni a sötét anyag vizsgálata céljából.
A csapat munkáját egy tanulmány részletezte, amely visszatérően jelent meg a folyóiratban Számítógépes asztrofizika és kozmológia. Douglas Potter vezetésével a csapat az elmúlt három évben optimalizált kód kidolgozását töltötte el (a példátlan pontossággal) a sötét anyag dinamikájának leírására, valamint a nagy léptékű struktúrák kialakulására az Univerzumban.
A PKDGRAV3 néven ismert kódot kifejezetten a rendelkezésre álló memória és a modern szuperszámítógép-architektúrák feldolgozási teljesítményének optimális felhasználására tervezték. A Svájci Nemzeti Számítástechnikai Központban (CSCS) található „Piz Daint” szuperszámítógépen végzett kivitele után mindössze 80 órán keresztül sikerült létrehoznia egy virtuális univerzumot, amely két trillió makrorészecskéből áll, és amelyből egy 25 milliárd virtuális galaxist nyertek ki.
Számításaik szempontjából lényeges az volt, ahogyan a sötét anyag folyadék fejlődött volna saját gravitációja alatt, ezáltal kis koncentrációk kialakulásához vezetett, amelyeket úgynevezett „sötét anyag halóknak” hívtak. Ezekben a halókban - egy elméleti elem, amelyről azt gondolják, hogy messze túlmutat a galaxis látható kiterjedésén - úgy gondolják, hogy olyan galaxisok alakulnak ki, mint a Tejút.
Ez természetesen meglehetősen nagy kihívást jelentett. Nemcsak a sötét anyag szerkezetének pontos kiszámítására volt szükség, hanem arra is, hogy fontolja meg, hogyan befolyásolja ez az univerzum minden más részét. Amint Joachim Stadel, az UZH Elméleti Asztrofizikai és Kozmológiai Központ professzora és a cikkben szereplő társszerző, e-mailben mondta a Space Magazine-nak:
„2 trillió ilyen sötét anyag„ darabot ”szimuláltunk, ez a legnagyobb számítás az eddiginél. Ehhez a „gyors többpólusú módszernek” nevezett számítási technikát kellett alkalmaznunk, és a világ egyik leggyorsabb számítógépét, a „Piz Daint” -et kellett használnunk a Svájci Nemzeti Szuperszámítógépes Központban, amely többek között nagyon gyors grafikus feldolgozó egységeket is tartalmaz. (GPU), amelyek lehetővé teszik a szimulációhoz szükséges lebegőpontos számítások hatalmas gyorsítását. A sötét anyag haloszokká halmozódik, amelyek viszont a galaxisokat fedik le. Számításunk pontosan megmutatja a sötét anyag eloszlását és tulajdonságait, ideértve a halókat is, de a galaxisokat, valamennyi tulajdonságukkal, egy modell segítségével ezekbe a halókba kell helyezni. A feladat e részét Pablo Fossalba és Francisco Castander vezetésével, barcelonai kollégák végezték. Ezeknek a galaxisoknak ezután megvannak a várt színei, térbeli eloszlása és emissziós vonalai (amelyek fontosak az Euclid által megfigyelt spektrumokhoz), és felhasználhatók különféle szisztematika és véletlenszerű hibák tesztelésére és kalibrálására az Euclid teljes műszervezetékénél. ”
Számításuk nagy pontosságának köszönhetően a csoport elkészített egy katalógust, amely megfelel az Európai Űrügynökség Euclid missziójának, amelynek fő célja a „sötét univerzum” felfedezése. Ez a fajta kutatás elengedhetetlen az univerzum megértéséhez a legnagyobb léptékben, főleg azért, mert az univerzum túlnyomó része sötét.
Az univerzum 23% -ában, amely sötét anyagból áll, és a 72% -ában, amely sötét anyagból áll, az Univerzumnak csak egy huszadik része valójában olyan anyagból áll, amelyet normál eszközökkel láthatunk (más néven: „fényes” vagy baryonic anyag). Annak ellenére, hogy az 1960-as és 1990-es években javasolták, a sötét anyag és a sötét energia továbbra is a két legnagyobb kozmológiai misztérium.
Mivel létezésükhöz a jelenlegi kozmológiai modellek működéséhez szükség van, létezésüket csak közvetett megfigyelés útján vonhatták le. Pontosan ezt fogja tenni az Euklidész-misszió hatéves küldetése során, amely abból áll, hogy a milliárd galaxisokból elnyeri a fényt, és megmérje az előtérben lévő tömeg jelenléte által okozott finom torzulásokat.
Ugyanúgy, ahogyan a háttérfény mérését torzíthatja egy gravitációs mező jelenléte a megfigyelő között (azaz az időbeli tiszteletben tartott általános relativitásteszt), a sötét anyag jelenléte gravitációs hatást gyakorol a fényre. Mint Stadel elmagyarázta, szimulált világegyetemük fontos szerepet fog játszani ebben az Euclid-misszióban - olyan keretet biztosítva, amelyet a misszió alatt és után is használnak.
"Annak előrejelzése érdekében, hogy a jelenlegi komponensek mennyire képesek lesznek egy adott mérésre, létre kell hozni egy olyan univerzumot, amely a valódi megfigyelt univerzumhoz a lehető legközelebb áll galaxisokkal." - mondta. „A galaxisok ez a„ ál ”katalógusa az, amit a szimuláció generált, és így most felhasználunk. Ugyanakkor a jövőben, amikor Euclid elkezdi az adatgyűjtést, ilyen szimulációkat kell használnunk az inverz probléma megoldására is. Ezt követően képesnek kell lennünk a megfigyelt világegyetem felvételére és a kozmológia alapvető paramétereinek meghatározására; egy olyan kapcsolat, amelyet jelenleg csak elég nagy pontossággal lehet létrehozni olyan nagy szimulációkkal, mint amilyeneket most végeztünk. Ez egy második fontos szempont annak, hogy az ilyen szimuláció hogyan működjön [és] központi szerepet játszik az Euclid-misszióban. "
Az Euklidész-adatok alapján a kutatók új információk beszerzésére számítanak a sötét anyag természetéről, de új fizikákat is felfedezhetnek, amelyek túlmutatnak a részecskefizika standard modelljén - azaz az általános relativitáselmélet módosított változata vagy egy új típusú részecske. Amint Stadel elmagyarázta, a misszió legjobb eredménye az lenne, amelyben az eredmények következnek nem megfeleljen az elvárásoknak.
„Bár ez természetesen az alapvető kozmológiai paraméterek (például a sötét anyag és az energia mennyisége az univerzumban) legpontosabb mérését fogja elvégezni, sokkal izgalmasabb lenne annak mérése, ami ütközik vagy legalábbis feszültség alatt áll a jelenlegi „lambda hideg sötét anyag” (LCDM) modell ”- mondta. „Az egyik legnagyobb kérdés az, hogy ennek a modellnek az úgynevezett„ sötét energiája ”valójában egy energiafajta, vagy pedig helyesebben írja-e le Einstein általános relativitáselméletének módosítása. Bár elkezdhetjük megkarcolni az ilyen kérdések felületét, ezek nagyon fontosak és képesek megváltoztatni a fizikát egy nagyon alapvető szinten. "
A jövőben Stadel és munkatársai azt remélik, hogy szimulációkat futtatnak a kozmikus evolúcióról, amelyek mindkét sötét anyagot figyelembe veszik és sötét energia. A természet ezen egzotikus aspektusainak egyik nap egy új kozmológia oszlopai lehetnek, amely meghaladja a standard modell fizikáját. Időközben a világ minden tájáról származó asztrofizikusok valószínűleg várják az Euclid misszió első sorozatát csábító lélegzettel.
Az Euklidész egyike annak a számos küldetésnek, amely jelenleg a sötét anyag vadászatával foglalkozik, és azt vizsgálja, hogyan formálta az univerzumunkat. Mások között szerepel az alfa-mágneses spektrométer (AMS-02) kísérlet az ISS fedélzetén, az ESO Kilo Degree Survey (KiDS) és a CERN nagy Hardon Collider. Szerencsére ezek a kísérletek felfedik azokat a kozmológiai rejtvényeket, amelyek évtizedek óta nehézségekbe ütköznek.
