Izpratne par Visumu un tā attīstību miljardu gadu laikā ir diezgan biedējošs uzdevums. No vienas puses, tas prasa saudzīgi meklēt miljardus gaismas gadu dziļā kosmosā (un tādējādi miljardus gadu atpakaļ laikā), lai redzētu, kā laika gaitā mainījās tā lielizmēra struktūra. Tad ir nepieciešami milzīgi skaitļošanas jaudas apjomi, lai modelētu, kādai tai vajadzētu izskatīties (balstoties uz zināmo fiziku), un lai redzētu, vai tie sakrīt.
Tieši to izdarīja Cīrihes universitātes (UZH) astrofiziķu komanda, izmantojot superdatoru “Piz Daint”. Ar šo sarežģīto mašīnu viņi simulēja visa mūsu Visuma veidošanos un izveidoja apmēram 25 miljardu virtuālo galaktiku katalogu. Šis katalogs tiks atvērts uz ESA misijas Eiklida misijas 2020. gadā, un seši gadi tiks pavadīti zondējot Visumu tumšās matērijas izpētes nolūkos.
Komandas darbs tika detalizēti aprakstīts pētījumā, kas nesen tika publicēts žurnālā Skaitļojošā astrofizika un kosmoloģija. Duglasa Potera vadībā komanda pēdējos trīs gadus pavadīja, izstrādājot optimizētu kodu, lai aprakstītu (ar nepieredzētu precizitāti) tumšās vielas dinamiku, kā arī liela mēroga struktūru veidošanos Visumā.
Kods, kas pazīstams kā PKDGRAV3, tika īpaši izveidots, lai optimāli izmantotu mūsdienu superdatoru arhitektūru pieejamo atmiņu un apstrādes jaudu. Pēc izpildīšanas superdatorā “Piz Daint” - kas atrodas Šveices Nacionālajā skaitļošanas centrā (CSCS) - tikai 80 stundas, izdevās izveidot divu triljonu makrodaļiņu virtuālo Visumu, no kura izveidots 25 tika iegūti miljardi virtuālo galaktiku.
Viņu aprēķiniem bija raksturīgs veids, kā tumšās vielas šķidrums būtu attīstījies sava smaguma ietekmē, tādējādi izraisot nelielu koncentrāciju veidošanos, kas pazīstamas kā “tumšās vielas halos”. Tiek uzskatīts, ka šajās halos - teorētiskajā komponentā, kas tālu pārsniedz galaktikas redzamo apmēru - ir izveidojušās tādas galaktikas kā Piena ceļš.
Protams, tas bija diezgan liels izaicinājums. Tas prasīja ne tikai precīzu tumšās matērijas struktūras attīstības aprēķinu, bet arī prasīja, lai viņi apsvērtu, kā tas ietekmētu visas citas Visuma daļas. Kā Joachim Stadel, profesors ar UZH Teorētiskās asofizikas un kosmoloģijas centru un līdzautors uz papīra, pa e-pastu stāstīja Space Magazine:
“Mēs simulējām 2 triljonus šādu tumšās vielas“ gabalu ”, kas ir lielākais šāda veida aprēķins, kāds jebkad veikts. Lai to izdarītu, mums bija jāizmanto skaitļošanas tehnika, kas pazīstama kā “ātrā daudzpolu metode”, un jāizmanto viens no ātrākajiem datoriem pasaulē “Piz Daint” Šveices Nacionālajā superdatoru centrā, kurā cita starpā ir ļoti ātras grafikas apstrādes vienības (GPU), kas ļauj milzīgi paātrināt simulācijā nepieciešamo peldošā komata aprēķinu veikšanu. Tumšā matērija sagrupējas tumšās matērijas “halos”, kas savukārt satur galaktikas. Mūsu aprēķins precīzi rada tumšās vielas, ieskaitot halos, sadalījumu un īpašības, bet galaktikas ar visām to īpašībām, izmantojot modeli, jānovieto šajās halos. Šo uzdevuma daļu izpildīja mūsu kolēģi Barselonā Pablo Fossalba un Fransisko Kastandera vadībā. Pēc tam šīm galaktikām ir paredzamās krāsas, telpiskais sadalījums un emisijas līnijas (svarīgas Eiklida novērotajiem spektriem), un tās var izmantot, lai pārbaudītu un kalibrētu dažādas sistemātikas un nejaušas kļūdas visā Eiklida instrumenta cauruļvadā. ”
Pateicoties viņu aprēķinu augstajai precizitātei, komanda spēja izveidot katalogu, kas atbilda Eiropas Kosmosa aģentūras Eiklida misijas prasībām, kuras galvenais mērķis ir izpētīt “tumšo Visumu”. Šāda veida pētījumi ir nepieciešami, lai saprastu Visumu vislielākajā mērogā, galvenokārt tāpēc, ka lielākais vairums Visuma ir tumšs.
Starp 23% Visuma, ko veido tumšā matērija, un 72%, kas sastāv no tumšās enerģijas, tikai vienu divdesmito daļu no Visuma faktiski veido matērija, ko mēs varam redzēt ar normāliem instrumentiem (aka. “Gaismas”). vai baryonic matērija). Neskatoties uz ierosinājumiem attiecīgi 1960. un 1990. gados, tumšā matērija un tumšā enerģija joprojām ir divi no lielākajiem kosmoloģiskajiem noslēpumiem.
Ņemot vērā, ka viņu pastāvēšana ir nepieciešama, lai mūsu pašreizējie kosmoloģiskie modeļi darbotos, viņu pastāvēšana jebkad tika secināta tikai ar netiešu novērojumu palīdzību. Tas ir tieši tas, ko Eiklīda misija veiks sešu gadu misijas laikā, kas sastāvēs no tā, lai uztvertu gaismu no miljardiem galaktiku un izmērītu to smalkiem izkropļojumiem, ko rada masas klātbūtne priekšplānā.
Tieši tāpat kā mēra fona gaismu, ko var izkropļot gravitācijas lauka klātbūtne starp to un novērotāju (t.i., noteikta laika vispārējās relativitātes pārbaude), tumšās vielas klātbūtne gaismai radīs gravitācijas efektu. Kā skaidroja Stadels, viņu imitētajam Visumam būs nozīmīga loma šajā Eiklida misijā - nodrošinot ietvaru, kas tiks izmantots misijas laikā un pēc tās.
"Lai prognozētu, cik labi pašreizējie komponenti spēs veikt noteikto mērījumu, ir jāizveido Visums, kas apdzīvots ar galaktikām, kas ir pēc iespējas tuvākas reālajam novērotajam Visumam," viņš teica. “Šis“ izspēles ”galaktiku katalogs ir tas, kas tika izveidots simulācijas rezultātā, un tagad tiks izmantots šādā veidā. Tomēr nākotnē, kad Eiklids sāks ņemt datus, mums būs jāizmanto arī šādas simulācijas, lai atrisinātu apgriezto problēmu. Pēc tam mums būs jāspēj uzņemt novēroto Visumu un noteikt kosmoloģijas pamatparametrus; savienojumu, kuru šobrīd var izveidot pietiekami precīzi tikai ar lielām simulācijām, piemēram, tikko veiktām. Tas ir otrs svarīgais aspekts tam, kā šāds simulācijas darbs [un] ir centrālais Eiklida misijā. ”
No Eiklida datiem pētnieki cer iegūt jaunu informāciju par tumšās matērijas būtību, kā arī atklāt jaunu fiziku, kas pārsniedz daļiņu fizikas standarta modeli - t.i., vispārējās relativitātes modificēto versiju vai jauna veida daļiņas. Kā skaidroja Stadels, labākais misijas rezultāts būtu tāds, kurā rezultāti būtu nē atbilst cerībām.
“Lai gan tas noteikti padarīs visprecīzākos pamata kosmoloģisko parametru (piemēram, tumšās vielas un enerģijas daudzumu Visumā) mērījumus, daudz aizraujošāks būtu izmērīt kaut ko tādu, kas ir pretrunā vai vismaz ir saspīlēts ar pašreizējais “standarta lambda aukstās tumšās vielas” (LCDM) modelis, ”viņš sacīja. “Viens no lielākajiem jautājumiem ir par to, vai šī modeļa tā saucamā“ tumšā enerģija ”patiesībā ir enerģijas forma, vai arī to pareizāk apraksta Einšteina vispārējās relativitātes teorijas modifikācija. Lai gan mēs varbūt tikai sākam skrāpt šādu jautājumu virsmu, tie ir ļoti svarīgi un tiem ir potenciāls mainīt fiziku ļoti pamatlīmenī. ”
Nākotnē Stadels un viņa kolēģi cer veikt kosmiskās evolūcijas simulācijas, kurās ņemta vērā gan tumšā matērija un tumšā enerģija. Kādreiz šie eksotiskie dabas aspekti varētu veidot jaunas kosmoloģijas pīlārus, kas pārsniedz standarta modeļa fiziku. Pa to laiku astrofiziķi no visas pasaules, iespējams, gaidīs pirmo sēriju no Eiklida misijas ar aizrautīgu elpu.
Eiklida ir viena no vairākām misijām, kas šobrīd nodarbojas ar tumšās matērijas medībām un izpēti, kā tā veidoja mūsu Visumu. Starp citiem ir Alfa magnētiskā spektrometra (AMS-02) eksperiments uz ISS, ESO Kilo grādu apsekojums (KiDS) un CERN lielais Hardon Collider. Ar veiksmi šie eksperimenti atklās kosmoloģiskās mīklas gabalus, kas gadu desmitiem palikuši nenotverami.
