Att förstå universum och hur det har utvecklats under miljarder år är en ganska skrämmande uppgift. Å ena sidan innebär det att omsorgsfullt titta miljarder ljusår i djupa rymden (och därmed miljarder år tillbaka i tiden) för att se hur dess storskaliga struktur förändrades över tid. Sedan krävs enorma mängder datorkraft för att simulera hur det ska se ut (baserat på känd fysik) och se om de matchar.
Det var vad ett team av astrofysiker från universitetet i Zürich (UZH) gjorde med superdatorn ”Piz Daint”. Med denna sofistikerade maskin simulerade de bildandet av hela vårt universum och producerade en katalog med cirka 25 miljarder virtuella galaxer. Denna katalog kommer att lanseras ombord på ESA: s Euclid-uppdrag 2020, som kommer att tillbringa sex år att undersöka universum för att undersöka mörk materia.
Teamets arbete detaljerades i en studie som uppträdde i tidskriften Computational Astrophysics and Cosmology. Leds av Douglas Potter tillbringade teamet de senaste tre åren på att utveckla en optimerad kod för att beskriva (med enastående noggrannhet) dynamiken i mörk materia samt bildandet av storskaliga strukturer i universum.
Koden, känd som PKDGRAV3, var specifikt utformad för att optimalt använda det tillgängliga minnet och processorkraften hos moderna superdatorerarkitekturer. Efter att ha körts på superdatoren "Piz Daint" - belägen vid Swiss National Computing Center (CSCS) - under en period av bara 80 timmar, lyckades den generera ett virtuellt universum av två biljoner makropartiklar, från vilken en katalog med 25 miljarder virtuella galaxer extraherades.
Inneboende i deras beräkningar var det sätt på vilket mörk materialvätska skulle ha utvecklats under sin egen tyngdkraft och därmed lett till bildning av små koncentrationer kända som ”mörkämne-glorier”. Det är inom dessa glorier - en teoretisk komponent som tros sträcka sig långt utöver den synliga utsträckningen av en galax - som galaxer som Vintergatan tros ha bildats.
Naturligtvis gav detta ganska utmaningen. Det krävde inte bara en exakt beräkning av hur strukturen för mörk materia utvecklas utan krävde också att de överväger hur detta skulle påverka alla andra delar av universum. Som Joachim Stadel, en professor vid Center for Theoretical Astrophysics and Cosmology vid UZH och en medförfattare på papper, berättade för Space Magazine via e-post:
"Vi simulerade två biljoner sådana mörka material" bitar ", den största beräkningen av denna typ som någonsin har utförts. För att göra detta var vi tvungna att använda en beräkningsteknik som kallas ”snabb multipolmetod” och använda en av de snabbaste datorerna i världen, ”Piz Daint” på Swiss National Supercomputing Center, som bland annat har mycket snabba grafikbearbetningsenheter (GPUs) som tillåter en enorm hastighet av de beräknade flytpunkterna som behövs i simuleringen. Den mörka materien kluster in i "halos" av mörk materia som i sin tur hamnar galaxerna. Vår beräkning producerar exakt fördelningen och egenskaperna för mörkämnet, inklusive glorierna, men galaxerna, med alla deras egenskaper, måste placeras i dessa glorier med hjälp av en modell. Denna del av uppgiften utfördes av våra kollegor i Barcelona under ledning av Pablo Fossalba och Francisco Castander. Dessa galaxer har sedan de förväntade färgerna, rumslig fördelning och emissionslinjerna (viktiga för spektra som observerats av Euclid) och kan användas för att testa och kalibrera olika systematik och slumpmässiga fel inom Euclids hela instrumentledning. "
Tack vare deras höga precision i deras beräkningar kunde teamet visa ut en katalog som uppfyllde kraven i Europeiska rymdorganisationens Euclid-uppdrag, vars huvudmål är att utforska det "mörka universum". Denna typ av forskning är avgörande för att förstå universum på den största skalan, främst för att den stora majoriteten av universum är mörk.
Mellan de 23% av universum som består av mörk materia och de 72% som består av mörk energi, består bara en tjugonde av universum faktiskt av materia som vi kan se med normala instrument (alias "lysande" eller baryonisk fråga). Trots att de föreslogs under 1960- och 1990-talet förblir mörk materia och mörk energi två av de största kosmologiska mysterierna.
Med tanke på att deras existens krävs för att våra nuvarande kosmologiska modeller ska fungera, har deras existens bara någonsin sluts ut genom indirekt observation. Det är precis vad Euclid-uppdraget kommer att göra under loppet av sitt sexåriga uppdrag, som kommer att bestå av att det fångar ljus från miljarder galaxer och mäter det för subtila snedvridningar orsakade av massans närvaro i förgrunden.
På samma sätt som att mäta bakgrundsbelysning kan förvrängas av närvaron av ett gravitationsfält mellan det och observatören (dvs ett tidshöjd test för allmän relativitet) kommer närvaron av mörk materia att påverka ljuset ljuset. Som Stadel förklarade kommer deras simulerade universum att spela en viktig roll i detta Euclid-uppdrag - att tillhandahålla en ram som kommer att användas under och efter uppdraget.
"För att förutsäga hur väl de nuvarande komponenterna kommer att kunna göra en given mätning, måste ett universum befolkat med galaxer så nära som möjligt till det verkliga observerade universum skapas," sade han. ”Denna" håna "katalog över galaxer är det som genererades från simuleringen och kommer nu att användas på detta sätt. Men i framtiden när Euclid börjar ta data, kommer vi också att behöva använda simuleringar som detta för att lösa det omvända problemet. Vi kommer då att kunna ta det observerade universum och bestämma de grundläggande parametrarna för kosmologin; en anslutning som för närvarande bara kan göras med tillräcklig precision genom stora simuleringar som den vi just har utfört. Detta är en andra viktig aspekt av hur en sådan simulering fungerar [och] är central i Euclid-uppdraget. ”
Från Euclid-uppgifterna hoppas forskare att få ny information om arten av mörk materia, men också att upptäcka ny fysik som går utöver standardmodellen för partikelfysik - dvs en modifierad version av allmän relativitet eller en ny typ av partikel. Som Stadel förklarade skulle det bästa resultatet för uppdraget bli resultatet där resultaten gör inte överensstämma med förväntningarna.
”Även om det säkert kommer att göra de mest exakta mätningarna av grundläggande kosmologiska parametrar (som mängden mörk materia och energi i universum), skulle mycket mer spännande vara att mäta något som står i konflikt eller åtminstone är i spänning med nuvarande 'standard lambda cold dark matter' (LCDM) -modell, »sade han. ”En av de största frågorna är om den så kallade” mörka energin ”i denna modell faktiskt är en form av energi, eller om den mer korrekt beskrivs genom en modifiering av Einsteins allmänna relativitetsteori. Även om vi kanske bara börjar repa ytan på sådana frågor, är de mycket viktiga och har potential att förändra fysik på en mycket grundläggande nivå. ”
I framtiden hoppas Stadel och hans kollegor att köra simuleringar av kosmisk utveckling som tar hänsyn till båda mörka ämnen och mörk energi. En dag kan dessa exotiska aspekter av naturen bilda pelarna i en ny kosmologi, en som sträcker sig utöver standardmodellens fysik. Under tiden kommer astrofysiker från hela världen troligen att vänta på den första omgången av resultat från Euclid-uppdraget med betande andedräkt.
Euclid är ett av flera uppdrag som för närvarande bedriver jakten på mörk materia och studien av hur det formade vårt universum. Andra inkluderar Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) -experimentet ombord på ISS, ESO: s Kilo Degree Survey (KiDS) och CERN: s Large Hardon Collider. Med tur kommer dessa experiment att avslöja bitar till det kosmologiska pusslet som har förblivit svårt i decennier.
