Разбирането на Вселената и как тя се развива в течение на милиарди години е доста обезсърчаваща задача. От една страна, той включва старателно да погледне милиарди светлинни години в дълбокото пространство (и по този начин милиарди години назад във времето), за да види как се е променила неговата мащабна структура във времето. Тогава са необходими огромни количества изчислителна мощност, за да се симулира как трябва да изглежда (въз основа на известна физика) и да се види дали съвпадат.
Това направи екип от астрофизици от университета в Цюрих (UZH), използвайки суперкомпютъра „Пиз Дайнт“. С тази сложна машина те симулираха образуването на цялата ни Вселена и създадоха каталог от около 25 милиарда виртуални галактики. Този каталог ще бъде пуснат на борда на мисията Евклид на ЕКА през 2020 г., която ще прекара шест години в проучване на Вселената за изследване на тъмната материя.
Работата на екипа беше подробно описана в проучване, което се появи ясно в дневника Изчислителна астрофизика и космология. Воден от Дъглас Потър, екипът прекара последните три години в разработването на оптимизиран код, който да опише (с безпрецедентна точност) динамиката на тъмната материя, както и формирането на мащабни структури във Вселената.
Кодът, известен като PKDGRAV3, е специално разработен, за да използва оптимално наличната памет и мощта за обработка на съвременните супер-изчислителни архитектури. След като беше екзекутиран в суперкомпютъра „Piz Daint“ - разположен в Швейцарския национален изчислителен център (CSCS) - за период от само 80 часа, той успя да генерира виртуална Вселена от два трилиона макрочастици, от които каталог от 25 били извлечени милиарди виртуални галактики.
Вътрешно в техните изчисления беше начинът, по който течността на тъмната материя би се развила под собствената си гравитация, като по този начин доведе до образуването на малки концентрации, известни като „ореоли на тъмната материя“. Именно в тези ореоли - теоретичен компонент, за който се смята, че се простира далеч извън видимия обхват на галактика - се смята, че са се образували галактики като Млечния път.
Естествено, това представи доста предизвикателство. Това изискваше не само прецизно изчисляване на това как се развива структурата на тъмната материя, но също така изисква те да преценят как това би повлияло на всяка друга част на Вселената. Както заяви Йоахим Стадел, професор от Центъра за теоретична астрофизика и космология в UZH и съавтор на хартията, каза пред сп. Space Magazine по имейл:
„Симулирахме 2 трилиона такива„ парчета от тъмна материя “, най-голямото изчисление от този тип, което някога е правено. За целта трябваше да използваме изчислителна техника, известна като „метод за бърз мултиполе“ и да използваме един от най-бързите компютри в света „Piz Daint“ в Швейцарския национален център за суперкомпютри, който освен всичко друго има много бързи графични обработващи устройства (GPU), които позволяват огромно ускоряване на изчисленията с плаваща точка, необходими при симулацията. Тъмната материя се струпва в тъмна материя „ореоли“, които от своя страна приютяват галактиките. Нашето изчисление точно произвежда разпределението и свойствата на тъмната материя, включително ореолите, но галактиките с всичките им свойства трябва да бъдат поставени в тези ореоли с помощта на модел. Тази част от задачата беше изпълнена от нашите колеги в Барселона под ръководството на Пабло Фосалба и Франсиско Кастандър. След това тези галактики имат очакваните цветове, пространственото разпределение и емисионните линии (важни за спектрите, наблюдавани от Евклид) и могат да бъдат използвани за тестване и калибриране на различни систематични и случайни грешки в целия тръбопровод на Евклид. "
Благодарение на високата точност на техните изчисления, екипът успя да създаде каталог, отговарящ на изискванията на мисията Евклид на Европейската космическа агенция, чиято основна цел е да изследва „тъмната вселена“. Този вид изследвания е от съществено значение за разбирането на Вселената в най-големите скали, главно защото огромната част от Вселената е тъмна.
Между 23% от Вселената, която се състои от тъмна материя, и 72%, която се състои от тъмна енергия, само една двадесета от Вселената всъщност е съставена от материя, която можем да видим с нормални инструменти (известна още като „светеща“ или барионна материя). Въпреки че са предложени съответно през 60-те и 90-те години, тъмната материя и тъмната енергия остават две от най-големите космологични мистерии.
Като се има предвид, че тяхното съществуване е необходимо, за да действат сегашните ни космологични модели, съществуването им е било установено само чрез косвено наблюдение. Точно това ще направи мисията Евклид в хода на шестгодишната си мисия, която ще се състои в това да улавя светлина от милиарди галактики и да я измерва за фини изкривявания, причинени от присъствието на маса на преден план.
По същия начин, по който измерването на фонова светлина може да бъде изкривено от наличието на гравитационно поле между него и наблюдателя (т.е. изпитан от времето тест за обща относителност), присъствието на тъмна материя ще упражнява гравитационно влияние върху светлината. Както обясни Стадел, тяхната симулирана Вселена ще играе важна роля в тази мисия на Евклид - предоставяйки рамка, която ще бъде използвана по време и след мисията.
„За да се прогнозира доколко текущите компоненти ще могат да направят дадено измерване, трябва да се създаде Вселена, населена с галактики възможно най-близо до реалната наблюдавана Вселена“, каза той. „Този„ макет “каталог на галактики е това, което е генерирано от симулацията и сега ще се използва по този начин. В бъдеще обаче, когато Евклид започне да взема данни, ние също ще трябва да използваме симулации като тази, за да разрешим обратния проблем. Тогава ще трябва да можем да вземем наблюдаваната Вселена и да определим основните параметри на космологията; връзка, която в момента може да бъде направена с достатъчна точност само от големи симулации като тази, която току-що извършихме. Това е втори важен аспект от това, как подобна симулация работи [и], е централна за мисията на Евклид. "
От данните на Евклид изследователите се надяват да получат нова информация за естеството на тъмната материя, но и да открият нова физика, която надхвърля Стандартния модел на физиката на частиците - т.е. модифицирана версия на общата относителност или нов тип частици. Както обясни Стадел, най-добрият резултат за мисията би бил този, в който се постигат резултатите не отговарят на очакванията.
„Макар че със сигурност ще направят най-точните измервания на основните космологични параметри (като количеството тъмна материя и енергия във Вселената), далеч по-вълнуващо би било да се измери нещо, което е в конфликт или най-малкото е в напрежение с настоящият модел "стандартен ламбда-студена тъмна материя" (LCDM) ", каза той. „Един от най-големите въпроси е дали така наречената„ тъмна енергия “на този модел всъщност е форма на енергия или е по-правилно описана чрез модификация на общата теория на относителността на Айнщайн. Макар че просто можем да започнем да надраскваме повърхността на подобни въпроси, те са много важни и имат потенциал да променят физиката на много фундаментално ниво. "
В бъдеще Стадел и неговите колеги се надяват да провеждат симулации за космическата еволюция, които отчитат и двете тъмни вещества и тъмна енергия. Някой ден тези екзотични аспекти на природата биха могли да формират стълбовете на една нова космология, която достига извън физиката на Стандартния модел. Междувременно астрофизиците от цял свят вероятно ще чакат първата партида резултати от мисията Евклид със затаен дъх.
Евклид е една от няколко мисии, която в момента се занимава с лов на тъмна материя и проучване на това как е оформила нашата Вселена. Други включват експеримента Алфа-магнитен спектрометър (AMS-02) на борда на МКС, Килографското изследване на ESO (KiDS) и Големия хардън колайдер на CERN. С късмет тези експерименти ще разкрият парчета от космологичния пъзел, които остават неуловими от десетилетия.
