Porozumenie vesmíru a jeho vývoj v priebehu miliárd rokov je dosť náročná úloha. Na jednej strane to vyžaduje starostlivo pozerať miliardy svetelných rokov do hlbokého vesmíru (a teda miliardy rokov späť v čase), aby sme videli, ako sa jeho rozsiahla štruktúra časom zmenila. Potom je potrebné obrovské množstvo výpočtového výkonu na simuláciu toho, ako by malo vyzerať (na základe známej fyziky) a na zistenie, či sa zhodujú.
To robil tím astrofyzikov z Zürichskej univerzity (UZH) pomocou superpočítača „Piz Daint“. S týmto sofistikovaným strojom simulovali formovanie celého nášho vesmíru a vytvorili katalóg približne 25 miliárd virtuálnych galaxií. Tento katalóg bude spustený na palube misie Euklidov ESA v roku 2020, ktorá strávi šesť rokov skúmaním vesmíru kvôli vyšetrovaniu temnej hmoty.
Práca tímu bola podrobne opísaná v štúdii, ktorá sa objavila opakovane v časopise Výpočtová astrofyzika a kozmológia. Tím vedený Douglasom Potterom strávil posledné tri roky vývojom optimalizovaného kódu na opísanie (s bezprecedentnou presnosťou) dynamiky temnej hmoty, ako aj formovania rozsiahlych štruktúr vo vesmíre.
Kód, známy ako PKDGRAV3, bol špeciálne navrhnutý tak, aby optimálne využíval dostupnú pamäť a spracovateľský výkon moderných superpočítačových architektúr. Po vykonaní na superpočítači „Piz Daint“, ktorý sa nachádza vo Švajčiarskom národnom výpočtovom centre (CSCS) - sa na obdobie iba 80 hodín podarilo vygenerovať virtuálny vesmír dvoch biliónov makročastíc, z ktorého je katalóg 25 Bola extrahovaná miliarda virtuálnych galaxií.
K ich výpočtom bolo vlastné, ako by sa tekutina temnej hmoty vyvíjala pod vlastnou gravitáciou, čo viedlo k vzniku malých koncentrácií známych ako „halóny temnej hmoty“. Predpokladá sa, že galaxie, ako je Mliečna dráha, sa vytvorili v rámci týchto halogénov - teoretickej zložky, ktorá sa predpokladá, že sa rozširuje ďaleko za viditeľný rozsah galaxie.
To, samozrejme, predstavovalo celkom výzvu. Vyžadovalo to nielen presný výpočet toho, ako sa vyvíja štruktúra temnej hmoty, ale tiež sa vyžadovalo, aby zvážili, ako by to ovplyvnilo každú ďalšiu časť vesmíru. Ako Joachim Stadel, profesor Centra teoretickej astrofyziky a kozmológie na UZH a spoluautor na papieri, Space Space Magazine zaslal e-mailom:
„Simulovali sme 2 bilióny takýchto kusov temnej hmoty, najväčší výpočet tohto typu, aký bol kedy vykonaný. Aby sme to dosiahli, museli sme použiť výpočtovú techniku známu ako „rýchla multipólová metóda“ a použiť jeden z najrýchlejších počítačov na svete, „Piz Daint“ vo Švajčiarskom národnom superpočítačovom centre, ktoré má okrem iného veľmi rýchle jednotky na spracovanie grafiky. (GPU), ktoré umožňujú obrovské zrýchlenie výpočtov s pohyblivou rádovou čiarkou potrebných na simuláciu. Zhluky temnej hmoty sa stávajú „halos“ temnej hmoty, ktoré zase skrývajú galaxie. Náš výpočet presne vytvára distribúciu a vlastnosti tmavej hmoty vrátane halo, ale galaxie so všetkými svojimi vlastnosťami musia byť umiestnené do týchto halos pomocou modelu. Túto časť úlohy vykonali naši kolegovia v Barcelone pod vedením Pabla Fossalbu a Francisco Castander. Tieto galaxie potom majú očakávané farby, priestorové rozloženie a emisné čiary (dôležité pre spektrá pozorované Euclidom) a môžu sa použiť na testovanie a kalibráciu rôznych systematických a náhodných chýb v celom prístrojovom potrubí Euklidov. “
Vďaka vysokej presnosti svojich výpočtov bol tím schopný vypracovať katalóg, ktorý splnil požiadavky misie Európskej vesmírnej agentúry Euclid, ktorej hlavným cieľom je skúmať „temný vesmír“. Tento výskum je nevyhnutný na pochopenie vesmíru na najväčšom meradle, hlavne preto, že veľká väčšina vesmíru je tmavá.
Medzi 23% vesmíru, ktorý je tvorený temnou hmotou, a 72%, ktoré pozostáva z temnej energie, je iba jedna dvadsiata časť vesmíru v skutočnosti tvorená hmotou, ktorú môžeme vidieť pomocou bežných nástrojov (aka. „Svetelný“). alebo baryonická hmota). Napriek tomu, že boli navrhnuté v 60. a 90. rokoch, temná hmota a temná energia zostávajú dvoma najväčšími kozmologickými tajomstvami.
Vzhľadom na to, že ich existencia je potrebná na to, aby fungovali naše súčasné kozmologické modely, bola ich existencia odvodená iba nepriamym pozorovaním. To je presne to, čo bude misia Euklidov robiť v priebehu svojej šesťročnej misie, ktorá bude pozostávať z toho, že zachytí svetlo z miliárd galaxií a zmeria ho pre jemné deformácie spôsobené prítomnosťou hmoty v popredí.
Rovnakým spôsobom, že meracie pozadie svetla môže byť skreslené prítomnosťou gravitačného poľa medzi ním a pozorovateľom (t. J. Časovo uznávaným testom všeobecnej relativity), prítomnosť tmavej hmoty bude mať na svetlo gravitačný vplyv. Ako vysvetlil Stadel, ich simulovaný vesmír bude hrať dôležitú úlohu v tejto misii Euklidov - poskytuje rámec, ktorý sa použije počas misie a po nej.
"Aby bolo možné predpovedať, ako dobre budú súčasné komponenty schopné urobiť dané meranie, musí sa vytvoriť vesmír naplnený galaxiami čo najbližšie k skutočnému pozorovanému vesmíru," uviedol. „Tento„ falošný “katalóg galaxií je to, čo sa vytvorilo simuláciou, a teraz sa bude používať týmto spôsobom. Avšak v budúcnosti, keď Euclid začne brať údaje, budeme musieť na vyriešenie inverzného problému použiť také simulácie. Potom budeme musieť byť schopní vziať pozorovaný vesmír a určiť základné parametre kozmológie; spojenie, ktoré je v súčasnosti možné vytvoriť s dostatočnou presnosťou iba pomocou veľkých simulácií, aké sme práve vykonali. Toto je druhý dôležitý aspekt toho, ako takáto simulácia funguje [a] je ústredným prvkom misie Euklidov. “
Z údajov Euklidov vedci dúfajú, že získajú nové informácie o povahe temnej hmoty, ale tiež objavia novú fyziku, ktorá presahuje štandardný model fyziky častíc - t. J. Upravenú verziu všeobecnej relativity alebo nový typ častice. Ako Stadel vysvetlil, najlepším výsledkom misie by bol výsledok, v ktorom výsledky nie vyhovieť očakávaniam.
„Aj keď to bude určite najpresnejšie meranie základných kozmologických parametrov (ako je množstvo temnej hmoty a energie vo vesmíre), oveľa viac vzrušujúce by bolo zmerať niečo, čo je v rozpore alebo prinajmenšom je v spojení s súčasný „štandardný model lambda studenej tmavej hmoty“ (LCDM), “uviedol. „Jednou z najväčších otázok je, či takzvaná„ temná energia “tohto modelu je vlastne formou energie alebo či je správne opísaná modifikáciou Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Aj keď možno práve začneme škrabať povrch týchto otázok, sú veľmi dôležité a majú potenciál zmeniť fyziku na veľmi základnej úrovni. “
V budúcnosti Stadel a jeho kolegovia dúfajú, že spustia simulácie kozmického vývoja, ktoré zohľadnia temnú hmotu a temná energia. Jedného dňa by tieto exotické aspekty prírody mohli tvoriť piliere novej kozmológie, ktorá presahuje fyziku štandardného modelu. Medzitým astrofyzici z celého sveta pravdepodobne budú čakať na prvú dávku výsledkov misie Euklidov s nadýchnutým dychom.
Euclid je jednou z niekoľkých misií, ktorá sa v súčasnosti zaoberá lovom temnej hmoty a štúdiom toho, ako formovala náš vesmír. Medzi ďalšie patrí experiment Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) na palube ISS, prieskum ESO Kilo degree Survey (KiDS) a CERN Large Hardon Collider. S trochou šťastia tieto experimenty odhalia kúsky kozmologickej hlavolamu, ktoré zostávajú nepolapiteľné po celé desaťročia.
