Розуміння Всесвіту та того, як він розвивався протягом мільярдів років, є досить непростим завданням. З одного боку, це передбачає кропіткий погляд мільярдів світлових років у глибокий космос (і, таким чином, мільярди років назад у часі), щоб побачити, як його масштабна структура змінювалася з часом. Тоді потрібні величезні обсяги обчислювальної потужності для моделювання того, як воно має виглядати (на основі відомої фізики) та бачити, чи збігаються вони.
Саме так зробила команда астрофізиків з Цюріхського університету (UZH), використовуючи суперкомп'ютер «Піз Дайнт». За допомогою цієї витонченої машини вони імітували формування всього нашого Всесвіту та створили каталог з приблизно 25 мільярдів віртуальних галактик. Цей каталог буде запущений на борту місії ESA Евкліда в 2020 році, яка витратить шість років на дослідження Всесвіту заради дослідження темної речовини.
Робота команди була детально викладена у дослідженні, яке з'явилося в журналі Обчислювальна астрофізика та космологія. Під керівництвом Дугласа Поттера команда провела останні три роки, розробляючи оптимізований код для опису (з небаченою точністю) динаміки темної речовини, а також формування масштабних структур у Всесвіті.
Код, відомий як PKDGRAV3, був спеціально розроблений для оптимального використання наявної пам’яті та потужності обробки сучасних суперкомп'ютерних архітектур. Після виконання на суперкомп'ютері «Піз Дайнт» - розташованому в Швейцарському національному обчислювальному центрі (CSCS) - протягом всього 80 годин, йому вдалося створити віртуальну Всесвіт з двох трильйонів макрочастинок, з яких каталог з 25 було вилучено мільярд віртуальних галактик.
Властивим їх розрахункам було те, як рідина темної речовини розвивалася б під власною силою тяжіння, тим самим приводячи до утворення малих концентрацій, відомих як «ореоли темної речовини». Вважається, що саме в цих ореолах - теоретичному компоненті, який виходить далеко за межі видимої міри галактики - утворюються галактики, як Чумацький Шлях.
Звичайно, це представляло досить складний виклик. Це вимагало не тільки точного розрахунку того, як розвивається структура темної матерії, а й вимагало, щоб вони розглядали, як це вплине на всі інші частини Всесвіту. Як розповів Йоахім Штадель, професор Центру теоретичної астрофізики та космології УЖ та співавтор статті, повідомив Space Magazine електронною поштою:
"Ми змоделювали 2 трлн таких" штук "з темної речовини - найбільший розрахунок цього типу, який коли-небудь проводився. Для цього нам довелося використати обчислювальну техніку, відому як "метод швидкого багатополюсності", та використати один із найшвидших комп'ютерів у світі, "Piz Daint", у Швейцарському національному центрі суперкомп'ютерів, який, серед іншого, має дуже швидкі одиниці обробки графіки. (GPU), які дозволяють досягти величезної прискорення обчислень з плаваючою комою, необхідних для моделювання. Темна речовина скупчується в темну речовину «ореоли», які, в свою чергу, містять галактики. Наш розрахунок точно виробляє розподіл і властивості темної речовини, включаючи ореоли, але галактики з усіма їх властивостями повинні бути розміщені в цих ореолах за допомогою моделі. Цю частину завдання виконали наші колеги з Барселони під керівництвом Пабло Фоссальби та Франсиско Кастандра. Потім ці галактики мають очікувані кольори, просторове розподілення та лінії випромінювання (важливі для спектрів, що спостерігаються Евклідом), і їх можна використовувати для тестування та калібрування різних систематик та випадкових помилок у всьому інструментальному трубопроводі Евкліда. "
Завдяки високій точності їхніх розрахунків команді вдалося скласти каталог, що відповідав вимогам місії Євкліда Європейського космічного агентства, головна мета якої - дослідити "темний Всесвіт". Цей вид досліджень має важливе значення для розуміння Всесвіту на найбільших масштабах, головним чином тому, що переважна більшість Всесвіту темна.
Між 23% Всесвіту, що складається з темної матерії, і 72%, що складається з темної енергії, лише одна двадцята частина Всесвіту насправді складається з речовини, яку ми можемо бачити за допомогою звичайних приладів (т.к. "світяться" або баріонова матерія). Незважаючи на те, що було запропоновано протягом 1960-х та 1990-х років відповідно, темна речовина і темна енергія залишаються двома найбільшими космологічними таємницями.
Зважаючи на те, що їх існування необхідне для того, щоб діяти наші сучасні космологічні моделі, про їх існування було підключено лише шляхом непрямого спостереження. Саме це і зробить місія Евкліда протягом шестирічної місії, яка буде складатися з того, що вона захоплює світло з мільярдів галактик і вимірює його для тонких спотворень, викликаних наявністю маси на передньому плані.
Настільки ж, що вимірювання фонового світла може бути спотворене наявністю гравітаційного поля між ним та спостерігачем (тобто випробуваний часом на загальну відносність), наявність темної речовини буде здійснювати гравітаційний вплив на світло. Як пояснив Штадель, їх модельований Всесвіт відіграватиме важливу роль у цій місії Евкліда - забезпечуючи рамки, які будуть використовуватися під час та після місії.
"Для того, щоб прогнозувати, наскільки добре поточні компоненти зможуть зробити задане вимірювання, необхідно створити Всесвіт, населений галактиками, максимально наближеними до реального спостережуваного Всесвіту", - сказав він. "Цей" макетний "каталог галактик - це те, що було створено в результаті моделювання, і тепер буде використовуватися таким чином. Однак у майбутньому, коли Евклід почне брати дані, нам також знадобиться використовувати подібні імітації для вирішення зворотної проблеми. Тоді нам потрібно буде вміти приймати спостережуваний Всесвіт і визначати основні параметри космології; з'єднання, яке в даний час може бути здійснено лише з достатньою точністю за допомогою великих імітацій, таких як щойно виконане нами. Це другий важливий аспект того, як така імітаційна робота [і] є центральною в місії Евкліда ".
З даних Евкліда дослідники сподіваються отримати нову інформацію про природу темної матерії, а також відкрити нову фізику, яка виходить за рамки Стандартної моделі фізики частинок - тобто модифіковану версію загальної відносності або новий тип частинок. Як пояснив Штадел, найкращим результатом для місії був би такий результат, в якому результати ні відповідати очікуванням.
"Хоча це, безумовно, зробить найточніші вимірювання основних космологічних параметрів (наприклад, кількості темної речовини та енергії у Всесвіті), але набагато цікавішим буде вимірювання чогось, що конфліктує або, принаймні, знаходиться в напрузі з нинішня "стандартна лямбда-холодна темна речовина" (LCDM) ", - сказав він. «Одне з найбільших питань полягає в тому, чи є так звана« темна енергія »цієї моделі насправді формою енергії, чи правильно вона описана модифікацією загальної теорії відносності Ейнштейна. Хоча ми можемо просто почати чухати поверхню таких питань, вони є дуже важливими і мають потенціал змінити фізику на дуже фундаментальному рівні ".
Надалі Стадель та його колеги сподіваються, що вони будуть проводити симуляції космічної еволюції, які враховуватимуть як темну матерію і темна енергія. Колись ці екзотичні аспекти природи можуть сформувати стовпи нової космології, яка виходить за межі фізики Стандартної моделі. Тим часом астрофізики з усього світу, ймовірно, чекатимуть першої партії результатів місії Евкліда з прихованим диханням.
Евклід - одна з декількох місій, яка зараз займається полюванням на темну матерію та вивчення того, як вона формувала наш Всесвіт. До інших належать експеримент Альфа-магнітний спектрометр (AMS-02) на борту МКС, Оглядовий ступінь кілограми ESO (KiDS) та Великий Гардерний колайдер CERN. Якщо вдасться, ці експерименти розкриють фрагменти космологічної загадки, які залишаються невловимими протягом десятиліть.
