Ymmärtää maailmankaikkeutta ja kuinka se on kehittynyt miljardien vuosien aikana, on melko pelottava tehtävä. Toisaalta siihen liittyy, että miljardeja valovuosia etsitään huolellisesti syvään avaruuteen (ja siten miljardeja vuosia taaksepäin) nähdäkseen, kuinka sen laaja-alainen rakenne muuttui ajan myötä. Sitten tarvitaan valtavia määriä laskentatehoa simuloidaksesi miltä sen pitäisi näyttää (perustuen tunnettuun fysiikkaan) ja nähdäkseen, vastaavatko ne toisiaan.
Tätä Zürichin yliopiston (UZH) astrofysiikaryhmä teki käyttämällä Piz Daint -supertietokonetta. Tällä hienostuneella koneella he simuloivat koko maailmankaikkeuden muodostumista ja tuottivat luettelon, jossa on noin 25 miljardia virtuaaligalaksia. Tämä luettelo julkaistaan ESA: n Euclid-tehtävässä vuonna 2020, joka vie kuusi vuotta maailmankaikkeutta koettelemaan pimeän aineen tutkimista.
Ryhmän työ oli yksityiskohtaisesti tutkimuksessa, joka ilmestyi viimeisen kerran lehdessä Laskennallinen astrofysiikka ja kosmologia. Douglas Potterin johdolla joukkue vietti viimeisen kolmen vuoden aikana optimoidun koodin kuvaamaan (ennennäkemättömällä tarkkuudella) tumman aineen dynamiikkaa sekä laaja-alaisten rakenteiden muodostumista maailmankaikkeudessa.
Koodi, joka tunnetaan nimellä PKDGRAV3, on suunniteltu erityisesti käyttämään optimaalisesti nykyisten superlaskenta-arkkitehtuurien käytettävissä olevaa muistia ja prosessointitehoa. Saatuaan suorituksen ”Piz Daint” -supertietokoneella - joka sijaitsee Sveitsin kansallisessa tietojenkäsittelykeskuksessa (CSCS) - vain 80 tunnin ajan, se onnistui tuottamaan kahden triljoonan makrohiukkasen virtuaalisen universumin, josta 25 miljardeja virtuaalisia galakseja uutettiin.
Niiden laskelmiin luontainen oli tapa, jolla tumma-aineneste olisi kehittynyt oman painovoimansa alla, mikä johtaisi pienten pitoisuuksien muodostumiseen, joita kutsutaan ”tumma-ainehalogeiksi”. Näiden halosien sisällä - teoreettisen komponentin, jonka uskotaan ulottuvan selvästi galaksin näkyvän laajuuden yli - uskotaan, että Linnunradan kaltaisten galaktien on muodostettu.
Tämä asetti luonnollisesti melkoisen haasteen. Se ei vaatinut paitsi tarkkaa laskentaa siitä, kuinka tumman aineen rakenne kehittyy, vaan myös vaatinut, että he harkitsevat, miten tämä vaikuttaisi kaikkiin muihin maailmankaikkeuden osiin. Kuten Joachim Stadel, UZH: n teoreettisen astrofysiikan ja kosmologian keskuksen professori ja paperilla kirjoitettu avustaja, kertoi Space Magazinelle sähköpostitse:
”Simuloimme 2 biljoonaa sellaista tumman aineen” kappaletta ”, mikä on suurin tämän tyyppinen laskelma, joka on koskaan tehty. Tätä varten meidän oli käytettävä laskentatekniikkaa, joka tunnetaan nimellä "nopea moninapoinen menetelmä", ja käytettävä yhtä maailman nopeimmista tietokoneista, "Piz Daint", Sveitsin kansallisessa superlaskentakeskuksessa, jossa on muun muassa erittäin nopeat grafiikankäsittely-yksiköt (GPU), jotka mahdollistavat simulaatiossa tarvittavien liukulukulaskelmien valtavan nopeuden. Pimeäaine klusteroituu pimeän aineen ”halosiksi”, jotka puolestaan satavat galaksit. Laskelma tuottaa tarkasti tumman aineen jakauman ja ominaisuudet, mukaan lukien halot, mutta galaksit, niiden kaikilla ominaisuuksilla, on sijoitettava näihin haloihin mallin avulla. Tämän osan tehtävästä suorittivat kollegamme Barcelonassa Pablo Fossalban ja Francisco Castanderin johdolla. Näillä galakseilla on sitten odotetut värit, alueellinen jakauma ja emissioviivat (tärkeät Euclidin havaitseman spektrin kannalta), ja niitä voidaan käyttää testaamaan ja kalibroimaan erilaisia systemaattisia ja satunnaisia virheitä koko Euclidin instrumenttiputken kautta. "
Laskelmiensa tarkkuuden ansiosta ryhmä pystyi laatimaan luettelon, joka vastasi Euroopan avaruusjärjestön Euclid-operaation vaatimuksia, jonka päätavoite on tutkia ”pimeää maailmankaikkeutta”. Tällainen tutkimus on välttämätöntä maailmankaikkeuden ymmärtämiseksi suurimmalla asteikolla, pääasiassa siksi, että suurin osa maailmankaikkeudesta on tummaa.
Niistä 23%: sta maailmankaikkeudesta, jotka koostuvat tummasta aineesta, ja 72%: sta, jotka koostuvat tummasta energiasta, vain yksi kahdeskymmenesosa maailmankaikkeudesta koostuu tosiasiallisesti aineesta, jonka voimme nähdä normaaleilla instrumenteilla (aka. tai baryoninen aine). Siitä huolimatta, että tumma aine ja tumma energia on ehdotettu 1960- ja 1990-luvuilla, ovat edelleen kaksi suurimmista kosmologisista mysteereistä.
Koska heidän olemassaolonsa edellyttävät nykyisten kosmologisten malliemme toimivuutta, heidän olemassaolonsa on koskaan päätelty vain epäsuoran havainnon avulla. Juuri tämä Euclid-tehtävä tekee sen kuuden vuoden tehtävänsä aikana, joka koostuu siitä, että se vangitsee valoa miljardeista galakseista ja mittaa sitä hienoille vääristymille, jotka johtuvat massan esiintymisestä etualalla.
Paljon samalla tavalla kuin taustavalon mittaaminen voi vääristyä, kun sen ja tarkkailijan välillä on gravitaatiokenttä (ts. Ajanjaksoinen testi yleiselle suhteellisuudelle), tumman aineen läsnäolo vaikuttaa gravitaation vaikutukseen valoon. Kuten Stadel selitti, heidän simuloidulla universumilla on tärkeä rooli tässä Euclid-tehtävässä - tarjoamalla puitteet, joita käytetään operaation aikana ja sen jälkeen.
"Jotta voidaan ennustaa, kuinka hyvin nykyiset komponentit kykenevät suorittamaan tietyn mittauksen, on luotava maailmankaikkeus, jolla on galakseja, jotka ovat mahdollisimman lähellä todellista havaittua universumia", hän sanoi. "Tämä" pilkata "galaksien luettelo on se, joka on luotu simulaatiosta ja jota käytetään nyt tällä tavalla. Jatkossa, kun Euclid alkaa ottaa tietoja, joudumme kuitenkin käyttämään tämänkaltaisia simulaatioita käänteisen ongelman ratkaisemiseksi. Sitten meidän on kyettävä ottamaan havaittu universumi ja määrittämään kosmologian perusparametrit; yhteys, joka tällä hetkellä voidaan muodostaa vain riittävän tarkkuudella suurilla simulaatioilla, kuten juuri suorittamamme. Tämä on toinen tärkeä näkökohta sille, kuinka tällainen simulaatio toimii [ja] on keskeinen Euclid-tehtävässä. "
Euclid -tietojen perusteella tutkijat toivovat saavansa uutta tietoa tumman aineen luonteesta, mutta myös löytääkseen uuden fysiikan, joka ylittää hiukkasfysiikan standardimallin - ts. Yleisen relatiivisuuden suhteen muokatun version tai uuden tyyppisen hiukkasen. Kuten Stadel selitti, operaation paras lopputulos olisi se, jossa tulokset saavutetaan ei vastaamaan odotuksia.
"Vaikka se varmasti tekeekin kosmologisten perusparametrien (kuten pimeän aineen määrän ja energian määrän maailmankaikkeudessa) tarkimmat mittaukset, paljon mielenkiintoisempaa olisi mitata jotain, joka on ristiriidassa tai ainakin jännittynyt Nykyinen 'lambda-kylmä pimeän aineen (LCDM) malli', hän sanoi. ”Yksi suurimmista kysymyksistä on, onko tämän mallin ns.” Pimeä energia ”todellakin energian muoto vai kuvaako sitä oikeammin muutos Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Vaikka voimme vain alkaa naarmuttaa tällaisten kysymysten pintaa, ne ovat erittäin tärkeitä ja niillä on potentiaali muuttaa fysiikkaa hyvin perustavalla tasolla. "
Jatkossa Stadel ja hänen kollegansa toivovat suorittavansa kosmisen evoluution simulaatioita, joissa otetaan huomioon molemmat pimeät aineet ja tumma energia. Joskus nämä luonnon eksoottiset näkökohdat voisivat muodostaa uuden kosmologian pilarit, sellaisen, joka ulottuu standardimallin fysiikan ulkopuolelle. Sillä välin astrofysiikit ympäri maailmaa odottavat todennäköisesti ensimmäistä erää tuloksia Euclid-tehtävästä syötetyllä hengityksellä.
Euclid on yksi monista tehtävistä, joka harjoittaa tällä hetkellä tumman aineen metsästämistä ja tutkimusta siitä, kuinka se muovasi maailmankaikkeuttamme. Muita ovat alfa-magneettinen spektrometri (AMS-02) -koe ISS: llä, ESOn Kilo-tutkintatutkimus (KiDS) ja CERN: n suuri Hardon Collider. Onneksi nämä kokeilut paljastavat kosmologisen palapelin palaset, jotka ovat pysyneet vaikeina vuosikymmenien ajan.
