Å forstå universet og hvordan det har utviklet seg i løpet av milliarder av år er en ganske skremmende oppgave. På den ene siden innebærer det møysommelig å se milliarder av lysår inn i det dype rommet (og dermed milliarder av år tilbake i tid) for å se hvordan dens storskala struktur endret seg over tid. Da trengs det enorme datamengder for å simulere hvordan det skal se ut (basert på kjent fysikk) og se om de stemmer overens.
Det er hva et team av astrofysikere fra University of Zurich (UZH) gjorde ved å bruke “Piz Daint” superdatamaskinen. Med denne sofistikerte maskinen simulerte de dannelsen av hele vårt univers og produserte en katalog med rundt 25 milliarder virtuelle galakser. Denne katalogen vil bli lansert ombord på ESAs Euklid-oppdrag i 2020, som vil bruke seks år på å undersøke universet for å undersøke mørk materie.
Teamets arbeid ble detaljert beskrevet i en studie som dukket opp i journalen Computational Astrophysics and Cosmology. Ledet av Douglas Potter brukte teamet de siste tre årene på å utvikle en optimalisert kode for å beskrive (med enestående nøyaktighet) dynamikken i mørk materie samt dannelsen av storskala strukturer i universet.
Koden, kjent som PKDGRAV3, var spesielt designet for å optimalt bruke det tilgjengelige minnet og prosessorkraften til moderne superdataarkitekturer. Etter å ha blitt henrettet på “Piz Daint” superdatamaskinen - lokalisert ved Swiss National Computing Center (CSCS) - i bare en periode på 80 timer, klarte den å generere et virtuelt univers av to billioner makropartikler, hvorfra en katalog på 25 milliarder virtuelle galakser ble trukket ut.
Iboende for beregningene deres var måten mørkstoffvæske ville ha utviklet seg under sin egen tyngdekraft, og dermed ført til dannelse av små konsentrasjoner kjent som ”mørk materie-haloer”. Det er innenfor disse glorieene - en teoretisk komponent som antas å strekke seg langt utover den synlige utstrekningen av en galakse - at galakser som Melkeveien antas å ha dannet seg.
Naturligvis ga dette ganske utfordringen. Det krevde ikke bare en nøyaktig beregning av hvordan strukturen til mørk materie utvikler seg, men krevde også at de vurderte hvordan dette ville påvirke alle andre deler av universet. Som Joachim Stadel, en professor ved Centre for Theoretical Astrophysics and Cosmology ved UZH og en medforfatter på papiret, fortalte Space Magazine via e-post:
"Vi simulerte 2 billioner slike mørkstoff" stykker ", den største beregningen av denne typen som noen gang har blitt utført. For å gjøre dette måtte vi bruke en beregningsteknikk kjent som “rask multipolmetode” og bruke en av de raskeste datamaskinene i verden, “Piz Daint” på Swiss National Supercomputing Center, som blant annet har veldig raske grafikkbehandlingsenheter (GPUer) som tillater en enorm hastighet på flytepunktberegningene som trengs i simuleringen. Den mørke materien klynger seg sammen til mørk materie "glorie" som igjen har galakser. Vår beregning gir nøyaktig distribusjonen og egenskapene til mørk materie, inkludert glorie, men galaksene, med alle deres egenskaper, må plasseres i disse glorieene ved hjelp av en modell. Denne delen av oppgaven ble utført av kollegene våre i Barcelona i regi av Pablo Fossalba og Francisco Castander. Disse galaksene har da de forventede farger, romlig fordeling og utslippslinjene (viktig for spektrene observert av Euclid) og kan brukes til å teste og kalibrere forskjellige systematikk og tilfeldige feil i hele instrumentrørledningen til Euclid. ”
Takket være den høye presisjonen i beregningene deres var teamet i stand til å slå ut en katalog som oppfylte kravene fra European Space Agency's Euclid mission, hvis hovedmål er å utforske det "mørke universet". Denne typen forskning er essensiell for å forstå universet på de største skalaene, hovedsakelig fordi det store flertallet av universet er mørkt.
Mellom de 23% av universet som består av mørk materie og de 72% som består av mørk energi, består bare en tyvende av universet av materie som vi kan se med normale instrumenter (også kalt "lysende" eller baryonisk materie). Til tross for at de ble foreslått i henholdsvis 1960- og 1990-årene, er mørk materie og mørk energi fortsatt to av de største kosmologiske mysteriene.
Gitt at deres eksistens er nødvendig for at våre nåværende kosmologiske modeller skal fungere, har deres eksistens bare noen gang blitt utledet gjennom indirekte observasjoner. Dette er nettopp hva Euclid-oppdraget vil gjøre i løpet av sitt seks år lange oppdrag, som vil bestå av at det fanger lys fra milliarder av galakser og måler det for subtile forvrengninger forårsaket av tilstedeværelsen av masse i forgrunnen.
Mye på samme måte som å måle bakgrunnslys kan bli forvrengt av tilstedeværelsen av et gravitasjonsfelt mellom det og observatøren (dvs. en tidskåret test for generell relativitet), vil tilstedeværelsen av mørk materie utøve en gravitasjonspåvirkning på lyset. Som Stadel forklarte, vil deres simulerte univers spille en viktig rolle i dette Euklid-oppdraget - å gi et rammeverk som vil bli brukt under og etter oppdraget.
"For å kunne forutsi hvor godt dagens komponenter vil kunne utføre en gitt måling, må det opprettes et univers befolket med galakser så nær det virkelige observerte universet som mulig", sa han. “Denne‘ hånlige ’katalogen over galakser er det som ble generert fra simuleringen og vil nå bli brukt på denne måten. I fremtiden når Euclid begynner å ta data, vil vi imidlertid også måtte bruke simuleringer som dette for å løse det inverse problemet. Vi vil da være i stand til å ta det observerte universet og bestemme de grunnleggende parametrene i kosmologien; en forbindelse som for øyeblikket bare kan opprettes med tilstrekkelig presisjon ved store simuleringer som den vi nettopp har utført. Dette er et andre viktig aspekt av hvordan slik simulering fungerer [og] er sentralt i Euklid-oppdraget. ”
Fra Euclid-dataene håper forskere å få ny informasjon om arten av mørk materie, men også å oppdage ny fysikk som går utover Standardmodellen for partikkelfysikk - dvs. en modifisert versjon av generell relativitet eller en ny type partikkel. Som Stadel forklarte, ville det beste resultatet for oppdraget være resultatet der resultatene gjør ikke samsvarer med forventningene.
"Selv om det absolutt vil gjøre de mest nøyaktige målingene av grunnleggende kosmologiske parametere (som mengden mørk materie og energi i universet), ville langt mer spennende være å måle noe som er i konflikt eller i det minste er i spenning med nåværende 'standard lambda kald mørk materie' (LCDM) modell, »sa han. "Et av de største spørsmålene er om den såkalte 'mørke energien' til denne modellen faktisk er en form for energi, eller om den er mer korrekt beskrevet ved en modifisering av Einsteins generelle relativitetsteori. Selv om vi kanskje bare begynner å klø på overflaten av slike spørsmål, er de veldig viktige og har potensiale til å endre fysikk på et veldig grunnleggende nivå. ”
I fremtiden håper Stadel og kollegene å kjøre simuleringer av kosmisk evolusjon som tar hensyn til både mørk materie og mørk energi. En dag kunne disse eksotiske aspektene av naturen danne grunnpilarene i en ny kosmologi, en som når utover fysikken i standardmodellen. I mellomtiden vil astrofysikere fra hele verden sannsynligvis vente på det første partiet med resultater fra Euclid-oppdraget med agn ånd.
Euclid er et av flere oppdrag som for tiden driver med jakten på mørk materie og studiet av hvordan det formet universet vårt. Andre inkluderer eksperimentet Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) ombord ISS, ESOs Kilo Degree Survey (KiDS) og CERNs Large Hardon Collider. Heldigvis vil disse eksperimentene avsløre brikker til det kosmologiske puslespillet som har holdt seg unnvikende i flere tiår.
