Suprasti Visatą ir tai, kaip ji išsivystė per milijardus metų, yra gana bauginantis uždavinys. Viena vertus, reikia kruopščiai žiūrėti milijardus šviesmečių į gilią erdvę (taigi ir milijardus metų atgal), kad pamatytumėte, kaip laikui bėgant pasikeitė jo didelio masto struktūra. Tada reikia milžiniškų skaičiavimo galios sumų, kad būtų galima modeliuoti, kaip ji turėtų atrodyti (remiantis žinoma fizika) ir pamatyti, ar jos sutampa.
Būtent tai padarė Ciuricho universiteto (UZH) astrofizikų komanda, naudodama superkompiuterį „Piz Daint“. Šia sudėtinga mašina jie imitavo visos mūsų Visatos formavimąsi ir sudarė apie 25 milijardų virtualių galaktikų katalogą. Šis katalogas bus pradėtas rengti ESA misijoje „Euklidas“, kuri vyks šešerius metus tiriant Visatą tamsiosios medžiagos tyrimui.
Komandos darbas buvo išsamiai aprašytas tyrime, kuris paskutinį kartą pasirodė žurnale Kompiuterinė astrofizika ir kosmologija. Douglaso Potterio vadovaujama komanda pastaruosius trejus metus praleido kurdama optimizuotą kodą, kad aprašytų (beprecedenčio tikslumo) tamsiosios medžiagos dinamiką, taip pat didelio masto struktūrų formavimąsi Visatoje.
Kodas, žinomas kaip PKDGRAV3, buvo specialiai sukurtas optimaliai išnaudoti turimą atmintį ir šiuolaikinių superkompiuterių architektūros apdorojimo galią. Po to, kai buvo vykdomas superkompiuteriu „Piz Daint“, esančiame Šveicarijos nacionaliniame skaičiavimo centre (CSCS), tik 80 valandų laikotarpiui, jam pavyko sugeneruoti virtualią dviejų trilijonų makrodalelių visatą, iš kurios sudarytas 25 katalogų katalogas. buvo išgauta milijardas virtualių galaktikų.
Jų skaičiavimams buvo būdingas būdas, kaip tamsiosios medžiagos skystis būtų išsivystęs pagal savo sunkio jėgas, todėl susidarė mažos koncentracijos, žinomos kaip „tamsiosios medžiagos halos“. Manoma, kad būtent tokiose halose - teoriniame komponente, kuris, kaip manoma, pranoksta matomą galaktikos plotį - susidarė tokios galaktikos kaip Pieno kelias.
Natūralu, kad tai buvo gana didelis iššūkis. Tai reikalavo ne tik tikslaus tamsiosios materijos struktūros apskaičiavimo, bet ir reikalauti, kad jie apsvarstytų, kaip tai paveiks visas kitas Visatos dalis. Kaip Joachimas Stadelis, UZH teorinės astrofizikos ir kosmologijos centro profesorius ir bendraautoris popieriuje, žurnalui „Space Magazine“ pasakojo el. Paštu:
„Mes modeliuodavome 2 trilijonus tokių tamsiosios medžiagos„ gabalų “, tai yra didžiausias tokio tipo skaičiavimas, koks kada nors buvo atliktas. Norėdami tai padaryti, turėjome naudoti skaičiavimo techniką, vadinamą „greito daugiapolio metodu“, ir naudoti vieną greičiausių kompiuterių pasaulyje „Piz Daint“ Šveicarijos nacionaliniame superkompiuterių centre, kuriame, be kitų dalykų, yra ir labai greiti grafikos apdorojimo įrenginiai. (GPU), leidžiančius labai greitai pagreitinti svyruojančiosios dalies skaičiavimus, reikalingus modeliavimui. Tamsiosios medžiagos grupės susideda į tamsiosios medžiagos „halus“, kurie, savo ruožtu, yra galaktikos. Mūsų skaičiavimas tiksliai nustato tamsiosios medžiagos, įskaitant halus, pasiskirstymą ir savybes, tačiau galaktikos su visomis jų savybėmis turi būti išdėstytos šiuose haluose, naudojant modelį. Šią užduoties dalį atliko mūsų kolegos Barselonoje, vadovaujami Pablo Fossalba ir Francisco Castander. Tuomet šios galaktikos turi numatomas spalvas, erdvinį pasiskirstymą ir emisijos linijas (svarbias Euklido stebimiems spektrams) ir gali būti naudojamos išbandyti ir kalibruoti įvairias sistemines ir atsitiktines klaidas visame Euklido prietaisų vamzdyne. “
Dėka didelio jų skaičiavimų tikslumo, komanda sugebėjo sukurti katalogą, kuris atitiko Europos kosmoso agentūros „Euklidos“ misijos, kurios pagrindinis tikslas yra ištirti „tamsiąją visatą“, reikalavimus. Tokie tyrimai yra būtini norint suprasti visatą kuo didesniame mastelyje, daugiausia todėl, kad didžioji dalis Visatos yra tamsi.
Tarp 23% Visatos, kurią sudaro tamsiosios materijos, ir 72%, kurią sudaro tamsiosios energijos, tik viena dvidešimtąją Visatos dalį faktiškai sudaro materija, kurią mes galime pamatyti normaliais instrumentais (dar žinomi kaip „švytinti“). arba baryoninė materija). Nepaisant to, kad tamsioji materija ir energija buvo pasiūlyta atitinkamai septintajame ir dešimtajame dešimtmečiuose, išlieka dvi didžiausias kosmologines paslaptis.
Atsižvelgiant į tai, kad jų egzistavimas reikalingas tam, kad mūsų dabartiniai kosmologiniai modeliai veiktų, jų egzistavimas kada nors buvo numanomas tik per netiesioginį stebėjimą. Būtent tai Euklido misija atliks per savo šešerius metus truksiančią misiją, kurią sudarys ji iš milijardų galaktikų gaudama šviesą ir išmatuodama subtilius iškraipymus, kuriuos sukelia masės buvimas pirmame plane.
Panašiai, kaip matuojant foninę šviesą, gali būti iškreipta, jei tarp jos ir stebėtojo yra gravitacinis laukas (t. Y. Laiko atžvilgiu atliktas bendrojo reliatyvumo testas), tamsiosios medžiagos buvimas padarys gravitacinę įtaką šviesai. Kaip paaiškino Stadelis, jų imituota Visata atliks svarbų vaidmenį šioje Euklido misijoje - sudarys sistemą, kuri bus naudojama misijos metu ir po jos.
„Norint numatyti, kaip dabartiniai komponentai sugebės atlikti tam tikrą matavimą, turi būti sukurta visata, kurioje būtų galaktikos, esančios kuo arčiau tikrosios stebimos Visatos“, - sakė jis. Šis „apgaulingas“ galaktikų katalogas yra sukurtas modeliuojant ir dabar bus naudojamas tokiu būdu. Tačiau ateityje, kai Euklidas pradės rinkti duomenis, mes taip pat turėsime naudoti tokius modeliavimus, kad išspręstume atvirkštinę problemą. Tada turėsime sugebėti paimti stebimą Visatą ir nustatyti pagrindinius kosmologijos parametrus; ryšį, kurį šiuo metu galima pakankamai tiksliai užmegzti atliekant didelius modeliavimus, tokius, kokius ką tik atlikome. Tai yra antras svarbus aspektas, kaip toks modeliavimas veikia [ir] yra pagrindinis Euklido misijos aspektas. “
Remdamiesi Euklido duomenimis, tyrėjai tikisi gauti ne tik informacijos apie tamsiosios medžiagos prigimtį, bet ir atrasti naują fiziką, viršijančią standartinį dalelių fizikos modelį - t. Y. Modifikuotą bendrojo reliatyvumo versiją arba naujo tipo daleles. Kaip paaiškino Stadelis, geriausias misijos rezultatas bus tas, kurio rezultatai bus ne atitikti lūkesčius.
„Nors tai tikrai atliks kuo tikslesnius pagrindinių kosmologinių parametrų (tokių kaip tamsiosios medžiagos ir energijos kiekis Visatoje) matavimus, daug įdomiau būtų išmatuoti tai, kas prieštarauja ar bent jau patiria įtampą su Dabartinis „standartinis„ lambda šaltosios tamsiosios medžiagos “(LCDM) modelis“, - sakė jis. „Vienas didžiausių klausimų yra tas, ar šio modelio vadinamoji„ tamsi energija “iš tikrųjų yra energijos forma, ar ją teisingiau apibūdinti pakeitus Einsteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Nors mes galime tiesiog pradėti įbrėžti tokių klausimų paviršių, jie yra labai svarbūs ir turi galimybę pakeisti fiziką labai pagrindiniame lygmenyje. “
Ateityje Stadelis ir jo kolegos tikisi atlikti kosminės evoliucijos modeliavimą, atsižvelgdami į abi tamsiąsias medžiagas ir tamsi energija. Kažkada šie egzotiški gamtos aspektai galėtų sudaryti naujos kosmologijos, kuri viršija standartinio modelio fiziką, ramsčius. Tuo tarpu viso pasaulio astrofizikai greičiausiai lauks pirmosios Euklido misijos rezultatų partijos su įkvėptu kvėpavimu.
Euklidas yra viena iš kelių misijų, kurios metu vykdoma tamsiosios medžiagos medžioklė ir tiriama, kaip ji formavo mūsų Visatą. Tarp kitų yra alfa magnetinio spektrometro (AMS-02) eksperimentas, esantis ISS, ESO atliktas Kilo laipsnio tyrimas (KiDS) ir CERN didelis Hardon Collider. Sėkmės dėka šie eksperimentai atskleis kosmologinės dėlionės fragmentus, kurie dešimtmečius išliko sunkūs.
