Разумевање Универзума и како се он развијао током милијарди година прилично је застрашујући задатак. С једне стране, то укључује мукотрпно гледање милијарди светлосних година у дубоки свемир (а самим тим и милијарде година уназад) да бисте видели како се његова велика структура променила током времена. Затим су потребне огромне количине рачунарске снаге да би се симулирало како би то требало (на основу познате физике) и видети да ли се подударају.
То је учинио тим астрофизичара са Универзитета у Цириху (УЗХ) користећи суперкомпјутер "Пиз Даинт". Помоћу ове софистициране машине симулирали су формирање целог нашег Универзума и направили каталог од око 25 милијарди виртуелних галаксија. Овај каталог ће бити лансиран у оквиру ЕСА-ове мисије Еуцлид 2020. године, која ће провести шест година истражујући Универзум ради истраживања мрачне материје.
Рад тима је детаљно приказан у студији која се јасно појавила у часопису Рачунарска астрофизика и космологија. Предвођени Доугласом Поттером, тим је провео последње три године развијајући оптимизовани код за описивање (са невиђеном тачношћу) динамике тамне материје као и формирања великих структура у Универзуму.
Код, познат као ПКДГРАВ3, посебно је дизајниран да оптимално користи расположиву меморију и моћ обраде савремених супер-рачунарствених архитектура. Након што је изведен у суперкомпјутеру „Пиз Даинт“ - смештеном у Швајцарском националном рачунарском центру (ЦСЦС) - у периоду од само 80 сати, успео је да створи виртуелни Универзум од два билиона макро честица, из којег је каталог од 25 извучено је милијарда виртуелних галаксија.
Својим израчуном био је начин на који би се течност тамне материје развијала под његовом властитом гравитацијом, што је довело до формирања малих концентрација познатих као "халоси тамне материје". Вјерује се да су унутар ових халоса - теоријске компоненте која се протеже много изван видљивог обима галаксије - формирале галаксије попут Млијечног пута.
Наравно, ово је представљало прилично изазов. Захтевао је не само прецизан прорачун како се развија структура тамне материје, већ је захтевао и да размотре како ће то утицати на сваки други део Универзума. Како је Јоацхим Стадел, професор са Центра за теоријску астрофизику и козмологију на УЗХ, и коаутор на папиру, рекао за Спаце Магазине путем е-маила:
„Симулирали смо 2 билиона„ комада “од тамне материје, што је највећи израчун ове врсте икада изведен. Да бисмо то учинили, морали смо да користимо технику рачунања која је позната као „метода брзе мултиполе“ и да користимо један од најбржих рачунара на свету, „Пиз Даинт“, у Швајцарском националном центру за рачунарске системе, који између осталог има веома брзе графичке процесорске јединице (ГПУ-ови) који омогућавају огромно убрзање израчунавања плутајуће тачке потребне за симулацију. Тамна материја се своди у тамну материју „халоси“ који заузврат садрже галаксије. Наш израчун тачно производи расподелу и својства тамне материје, укључујући халоге, али галаксије, са свим својим својствима, морају бити смештене унутар ових халоса помоћу модела. Овај део задатка извршили су наше колеге у Барселони под режијом Пабла Фоссалбе и Францисца Цастандера. Те галаксије тада имају очекиване боје, просторну расподјелу и емисионе линије (важне за спектар који је проматрао Еуцлид) и могу се користити за тестирање и калибрацију различитих систематика и случајних грешака унутар читавог инструменталног цјевовода Еуцлид. "
Захваљујући високој прецизности њихових прорачуна, тим је успео да направи каталог који је удовољио захтевима мисије Европске свемирске агенције Еуцлид, чији је главни циљ истраживање „мрачног свемира“. Ова врста истраживања је од суштинске важности за разумевање Универзума на највећим размерама, углавном зато што је велика већина Универзума мрачна.
Између 23% Универзума који је сачињен од тамне материје и 72% који се састоји од тамне енергије, само је једна двадесетина Универзума заправо састављена од материје коју можемо видети са нормалним инструментима (ака. "Светлуцави" или баријенске материје). Иако су предложене током 1960-их и 1990-их, тамна материја и тамна енергија остају две највеће космолошке мистерије.
С обзиром на то да је њихово постојање потребно како би радили наши тренутни космолошки модели, њихово постојање је икада закључено посредним посматрањем. То је управо оно што ће мисија Еуцлид урадити током своје шестогодишње мисије, а састојат ће се од тога да снима свјетлост из милијарди галаксија и мјери је за суптилна изобличења узрокована присуством масе у првом плану.
Отприлике на исти начин што мерење позадинске светлости може бити искривљено присуством гравитационог поља између њега и посматрача (тј. Времешног теста за општу релативност), присуство тамне материје ће извршити гравитациони утицај на светлост. Као што је Стадел објаснио, њихов симулирани Универзум играће важну улогу у овој Еуцлид мисији - пружајући оквир који ће се користити током и након мисије.
"Да би се прогнозирало колико ће тренутне компоненте моћи да изврше дано мерење, мора се створити Универзум насељен галаксијима што је ближе стварном посматраном Универзуму", рекао је. "Овај" изружени "каталог галаксија је оно што је створено из симулације и сада ће се користити на овај начин. Међутим, у будућности када Еуцлид почне узимати податке, такође ћемо морати да користимо ове симулације да бисмо решили обрнути проблем. Тада ћемо морати бити у стању да узмемо посматрани Универзум и одредимо основне параметре космологије; веза која тренутно може бити успостављена у довољној прецизности само великим симулацијама попут оне коју смо управо извели. Ово је други важан аспект рада таквих симулација [и] у централној мисији Еуцлид. "
Из Еуцлид података се надају да ће добити нове информације о природи тамне материје, али и открити нову физику која надилази стандардни модел физике честица - тј. Модификовану верзију опште релативности или нову врсту честица. Како је објаснио Стадел, најбољи исход мисије био би онај у којем су резултати не у складу са очекивањима
„Иако ће сигурно направити најтачнија мерења основних космолошких параметара (попут количине тамне материје и енергије у Универзуму), далеко узбудљивије би било измерити нешто што се сукобљава или, у најмању руку, је у напетости са тренутни 'стандардни ламбда хладни тамни материјал' (ЛЦДМ) ", рекао је. „Једно од највећих питања је да ли је такозвана„ мрачна енергија “овог модела заправо облик енергије или је то тачније описано модификацијом Аинстеинове опште теорије релативности. Иако ћемо тек почети да гребамо по површини таквих питања, она су веома важна и имају потенцијал да мењају физику на врло фундаменталном нивоу. "
У будућности се Стадел и његове колеге надају да ће покренути симулације космичке еволуције које ће узети у обзир обе тамне материје и тамна енергија. Једног дана ови егзотични аспекти природе могли би да формирају стубове нове космологије, оне која превазилази физику Стандардног модела. У међувремену, астрофизичари из целог света вероватно ће чекати прву серију резултата из мисије Еуцлид са задиханим дахом.
Еуцлид је једна од неколико мисија која се тренутно бави ловом на тамну материју и проучавањем како је обликовала наш Универзум. Остали укључују експеримент Алпха Магнетиц Спецтрометер (АМС-02) на ИСС-у, ЕСО-ово истраживање ступњева кила (КиДС) и ЦЕРН-ов Велики Хардон Цоллидер. Срећом, ови експерименти откриће делове космолошке слагалице који су деценијама остали неизбежни.
