Porozumění vesmíru a jeho vývoj v průběhu miliard let je poněkud skličující úkol. Na jedné straně to zahrnuje pečlivě hledící miliardy světelných let do hlubokého vesmíru (a tedy miliardy let zpět v čase), abychom viděli, jak se jeho rozsáhlá struktura v průběhu času měnila. Pak je potřeba obrovské množství výpočetního výkonu, aby se simulovalo, jak by to mělo vypadat (na základě známé fyziky) a zda se shodují.
To je to, co tým astrofyziků z Curyšské univerzity (UZH) udělal pomocí superpočítače „Piz Daint“. S tímto sofistikovaným strojem simulovali vytvoření celého našeho vesmíru a vytvořili katalog asi 25 miliard virtuálních galaxií. Tento katalog bude spuštěn na palubě mise Euclid ESA v roce 2020, která stráví šest let zkoumáním vesmíru pro účely vyšetřování temné hmoty.
Práce týmu byla podrobně popsána ve studii, která se objevila opakovaně v časopise Výpočetní astrofyzika a kosmologie. V čele s Douglasem Potterem strávil tým poslední tři roky vývojem optimalizovaného kódu, který popisuje (s bezprecedentní přesností) dynamiku temné hmoty a vytváření rozsáhlých struktur ve vesmíru.
Kód, známý jako PKDGRAV3, byl speciálně navržen tak, aby optimálně využíval dostupnou paměť a výpočetní výkon moderních superpočítačových architektur. Poté, co byl popraven v superpočítači „Piz Daint“ - nacházející se ve Švýcarském národním výpočetním centru (CSCS) - po dobu pouhých 80 hodin, se mu podařilo vygenerovat virtuální vesmír dvou bilionů makročástic, z nichž byl vytvořen katalog 25 byla extrahována miliarda virtuálních galaxií.
Jejich výpočtům bylo vlastní způsob, jakým by se tekutina temné hmoty vyvinula pod svou vlastní gravitací, což vedlo ke vzniku malých koncentrací známých jako „halos temné hmoty“. V těchto haloch - teoretické složce, o které se předpokládá, že sahá daleko za viditelný rozsah galaxie - se věří, že se vytvořily galaxie, jako je Mléčná dráha.
To přirozeně představovalo docela výzvu. Vyžadovalo to nejen přesný výpočet toho, jak se vyvíjí struktura temné hmoty, ale také vyžadovalo, aby zvážily, jak by to ovlivnilo každou další část vesmíru. Jako Joachim Stadel, profesor Centra pro teoretickou astrofyziku a kosmologii na UZH a spoluautor na papíře, řekl časopisu Space Magazine e-mailem:
„Simulovali jsme 2 biliony takových kusů temné hmoty, což byl největší výpočet tohoto typu, jaký kdy byl proveden. Abychom to mohli udělat, museli jsme použít výpočetní techniku známou jako „rychlá multipole metoda“ a použít jeden z nejrychlejších počítačů na světě, „Piz Daint“ ve Švýcarském národním superpočítačovém centru, které má mimo jiné velmi rychlé jednotky pro zpracování grafiky. (GPU), které umožňují obrovské zrychlení výpočtů s pohyblivou řádovou čárkou potřebných při simulaci. Shluky temné hmoty se stávají „halos“ temné hmoty, které zase nesou galaxie. Náš výpočet přesně vytváří distribuci a vlastnosti temné hmoty, včetně halo, ale galaxie se všemi svými vlastnostmi musí být do těchto halos umístěny pomocí modelu. Tuto část úkolu provedli naši kolegové v Barceloně pod vedením Pabla Fossalby a Francisco Castander. Tyto galaxie pak mají očekávané barvy, prostorové rozložení a emisní čáry (důležité pro spektra pozorovaná Euclidem) a mohou být použity k testování a kalibraci různých systematických a náhodných chyb v celém přístrojovém potrubí Euklidu. “
Díky vysoké přesnosti svých výpočtů dokázal tým vytvořit katalog, který splnil požadavky mise Evropské vesmírné agentury Euclid, jejímž hlavním cílem je prozkoumat „temný vesmír“. Tento druh výzkumu je nezbytný pro pochopení vesmíru na největším měřítku, hlavně proto, že velká většina vesmíru je tmavá.
Mezi 23% vesmíru, který je tvořen temnou hmotou, a 72%, které sestává z temné energie, je pouze jedna dvacetina vesmíru ve skutečnosti tvořena hmotou, kterou můžeme vidět pomocí běžných nástrojů (aka. „Světelný“ nebo baryonická hmota). Přestože byla v šedesátých a devadesátých letech navržena, temná hmota a temná energie zůstávají dvěma největšími kosmologickými záhadami.
Vzhledem k tomu, že jejich existence je nutná k tomu, aby fungovaly naše současné kosmologické modely, byla jejich existence odvozena pouze nepřímým pozorováním. Přesně to udělá mise Euklidy v průběhu své šestileté mise, která bude spočívat v tom, že zachytí světlo z miliard galaxií a změří jej pro jemné zkreslení způsobené přítomností hmoty v popředí.
Stejně tak, že měření pozadí světla může být zkresleno přítomností gravitačního pole mezi ním a pozorovatelem (tj. Časově uznávaným testem pro obecnou relativitu), přítomnost temné hmoty bude mít na světlo gravitační vliv. Jak Stadel vysvětlil, jejich simulovaný vesmír bude hrát důležitou roli v této misi Euclid - poskytuje rámec, který bude použit během a po misi.
"Abychom předpovídali, jak dobře budou současné komponenty schopny provést dané měření, musí být vytvořen vesmír naplněný galaxiemi co nejblíže skutečnému pozorovanému vesmíru," řekl. „Tento„ simulovaný “katalog galaxií je tím, co bylo vygenerováno simulací, a nyní bude tímto způsobem použito. V budoucnu, kdy Euclid začne brát data, budeme také muset použít simulace, jako je tato, k vyřešení inverzního problému. Budeme muset být schopni vzít pozorovaný vesmír a určit základní parametry kosmologie; spojení, které lze v současné době dosáhnout pouze s dostatečnou přesností pomocí velkých simulací, jako je ta, kterou jsme právě provedli. Toto je druhý důležitý aspekt toho, jak taková simulace funguje [a] je pro misi Euklidu ústřední. “
Z euklidovských dat vědci doufají, že získají nové informace o povaze temné hmoty, ale také objevují novou fyziku, která přesahuje standardní model částicové fyziky - tj. Upravenou verzi obecné relativity nebo nový typ částice. Jak vysvětlil Stadel, nejlepším výsledkem mise by byl výsledek, ve kterém výsledky ne přizpůsobit se očekáváním.
„I když to bude určitě nejpřesnější měření základních kosmologických parametrů (jako je množství temné hmoty a energie ve vesmíru), mnohem více vzrušující by bylo měření něčeho, co je v konfliktu, nebo je přinejmenším v napětí s současný „standardní model lambda studené temné hmoty“ (LCDM), “řekl. „Jednou z největších otázek je, zda tzv.„ Temná energie “tohoto modelu je vlastně formou energie, nebo zda je přesněji popsána modifikací Einsteinovy obecné teorie relativity. I když můžeme jen začít škrábat povrch takových otázek, jsou velmi důležité a mají potenciál změnit fyziku na velmi základní úrovni. “
V budoucnu Stadel a jeho kolegové doufají, že budou provádět simulace kosmického vývoje, které zohlední obě temné hmoty a temná energie. Jednoho dne mohou tyto exotické aspekty přírody tvořit sloupy nové kosmologie, která přesahuje fyziku standardního modelu. Mezitím budou astrofyzici z celého světa pravděpodobně čekat na první várku výsledků z mise Euklidy s dechem.
Euclid je jednou z několika misí, které se v současné době zabývají honem za temnou hmotou a studiem toho, jak utváří náš vesmír. Mezi další patří experiment Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) na palubě ISS, průzkum ESO Kilo degree Survey (KiDS) a CERN's Large Hardon Collider. S trochou štěstí tyto experimenty odhalí kousky kosmologické hlavolam, které zůstaly nepolapitelné po celá desetiletí.
