Universumi mõistmine ja kuidas see on miljardite aastate jooksul arenenud, on üsna hirmuäratav ülesanne. Ühelt poolt hõlmab see miljardeid valgusaastaid sügavasse kosmosesse (ja seega ka miljardeid aastaid ajas tagasi) vaeva nägevat, et näha, kuidas selle suuremahuline struktuur aja jooksul muutus. Seejärel on vaja tohutul arvul arvutusvõimsusi, et simuleerida, milline see välja peaks nägema (põhineb tuntud füüsikal) ja vaatama, kas need sobivad.
Just seda tegi Zürichi ülikooli (UZH) astrofüüsikute meeskond, kasutades superarvutit Piz Daint. Selle keeruka masina abil simuleerisid nad kogu meie Universumi teket ja koostasid umbes 25 miljardi virtuaalse galaktika kataloogi. See kataloog käivitatakse ESA missiooni Euclid pardal 2020. aastal, mis veedab kuus aastat Universumi uurimiseks tumeaine uurimiseks.
Meeskonna tööd kirjeldati üksikasjalikult uuringus, mis ilmus ajakirjas viimati Arvutuslik astrofüüsika ja kosmoloogia. Douglas Potteri juhtimisel veetis meeskond viimased kolm aastat optimeeritud koodi väljatöötamise, et kirjeldada (enneolematu täpsusega) nii tumeda aine dünaamikat kui ka universumis suuremahuliste struktuuride moodustumist.
Kood, mida tuntakse PKDGRAV3-na, on spetsiaalselt loodud selleks, et optimaalselt kasutada kaasaegsete superarvuti arhitektuuride saadaolevat mälu ja töötlemisvõimsust. Pärast teostust Šveitsi Riiklikus Arvutuskeskuses (CSCS) asuvas superarvutis Piz Daint õnnestus vaid 80 tunni jooksul genereerida kahe triljoni makroosakeste virtuaalne universum, millest koosnev 25-liikmeline kataloog kaevandati miljard virtuaalset galaktikat.
Nende arvutuste jaoks oli oluline, kuidas tumeaine vedelik oleks oma raskuse mõjul arenenud, mis viiks väikeste kontsentratsioonide moodustumiseni, mida tuntakse kui „tumeda aine halosid“. Arvatakse, et just sellised halosid - teoreetilist komponenti, mis arvatavalt ulatub kaugele galaktika nähtavast ulatusest - moodustasid Linnutee taolised galaktikad.
Loomulikult oli see üsna suur väljakutse. See ei nõudnud mitte ainult tumeda aine struktuuri täpse arvutamist, vaid nõudis ka, et nad kaaluksid, kuidas see mõjutaks kõiki teisi universumi osi. Nagu ütles Joachim Stadel, UZH teoreetilise astrofüüsika ja kosmoloogia keskuse professor ja paberkandjal kaasautor, rääkis ajakiri Space Magazine e-postiga:
“Me simuleerisime 2 triljonit sellist tumeda aine“ tükki ”, mis on suurim seda tüüpi arvutus, mis eales tehtud. Selleks pidime kasutama arvutustehnikat, mida tuntakse kui “kiire mitmepooluse meetod”, ja kasutama ühte maailma kiireimat arvutit “Piz Daint” Šveitsi riiklikus superarvuti keskuses, kus muu hulgas on väga kiired graafikatöötlusüksused (GPU), mis võimaldavad simulatsioonis vajalike ujukoma arvutuste tohutut kiirendamist. Tumeaine klastrid muutuvad tumeaineks “halos”, mis omakorda varjavad galaktikaid. Meie arvutus annab täpselt tumeaine, sealhulgas halode jaotuse ja omadused, kuid galaktikad, koos kõigi nende omadustega, tuleb mudeli abil paigutada nendesse halodesse. Selle ülesande osa täitsid meie kolleegid Barcelonas Pablo Fossalba ja Francisco Castanderi juhendamisel. Nendel galaktikatel on siis eeldatavad värvid, ruumiline jaotus ja emissioonijooned (mis on olulised Euclidi vaadeldava spektri jaoks) ning neid saab kasutada mitmesuguste süsteemide ja juhuslike vigade testimiseks ja kalibreerimiseks kogu Euclid'i mõõteriistade torujuhtmes. "
Tänu nende arvutuste ülitäpsusele suutis meeskond koostada kataloogi, mis vastas Euroopa Kosmoseagentuuri missiooni Euclid nõuetele, mille peamine eesmärk on uurida „pimedat universumit”. Selline uurimistöö on oluline universumi mõistmiseks suurima skaalaga, peamiselt seetõttu, et valdav osa universumist on tume.
23% -st universumist, mis koosneb tumedast ainest, ja 72% -ni, mis koosneb tumedast energiast, koosneb tegelikult vaid üks kahekümnes osa Universumist ainest, mida me näeme tavaliste instrumentidega (aka. Helendav) või baryooniline aine). Vaatamata sellele, et tumeaine ja tume energia on välja pakutud vastavalt 1960. ja 1990. aastatel, on need kaks kõige suuremat kosmoloogilist saladust.
Arvestades, et nende olemasolu on vajalik meie praeguste kosmoloogiliste mudelite toimimiseks, on nende olemasolu kunagi kaudsest vaatlusest järeldatud. Täpselt seda teeb Eukleidi missioon oma kuue aasta pikkuse missiooni jooksul, mis seisneb miljardite galaktikate valguse hõivamises ja selle esiplaanil massi juurest põhjustatud peente moonutuste mõõtmises.
Samamoodi nagu taustvalguse mõõtmist võib moonutada gravitatsioonivälja olemasolu selle ja vaatleja vahel (s.o üldise relatiivsustegevuse ajaproov), avaldab tumeda aine olemasolu valgusele gravitatsioonilist mõju. Nagu Stadel selgitas, mängib nende simuleeritud universum olulist rolli selles Euclid-missioonis - pakkudes raamistikku, mida kasutatakse missiooni ajal ja pärast seda.
"Et ennustada, kui hästi praegused komponendid suudavad antud mõõtmist teha, tuleb luua universum, mille asustatud galaktikad oleksid võimalikult lähedased tegelikule vaadeldavale universumile," ütles ta. „See galaktikate pilkkataloog on see, mis loodi simulatsiooni käigus ja mida kasutatakse nüüd sel viisil. Kuid tulevikus, kui Euclid hakkab andmeid võtma, peame pöördprobleemi lahendamiseks kasutama ka selliseid simulatsioone. Seejärel peame suutma võtta vaadeldava Universumi ja määrata kosmoloogia põhiparameetrid; ühenduse, mida saab praegu piisava täpsusega luua vaid suurte simulatsioonide abil, nagu näiteks äsja läbi viidud. See on teine oluline aspekt selle kohta, kuidas selline simulatsioon töötab [ja] kesksel kohal Euclid'i missioonil. ”
Euclidi andmete põhjal loodavad teadlased saada uut teavet tumeda aine olemuse kohta, aga ka avastada uut füüsikat, mis ületab osakeste füüsika standardset mudelit - st üldrelatiivsusteooria modifitseeritud versiooni või uut tüüpi osakesi. Nagu Stadel selgitas, oleks missiooni parim tulemus selline, mille tulemused oleksid mitte vastama ootustele.
„Ehkki see teeb kindlasti põhiliste kosmoloogiliste parameetrite (näiteks tumeaine ja energia hulk universumis) kõige täpsemad mõõtmised, oleks palju põnevam mõõta midagi, mis on vastuolus või vähemalt on pinges praegune standardne lambda külma tumeaine (LCDM) mudel, ”ütles ta. „Üks suurimaid küsimusi on see, kas selle mudeli niinimetatud“ tume energia ”on tegelikult energiavorm või kirjeldab see õigesti Einsteini üldise relatiivsusteooria modifikatsiooni. Ehkki me võime hakata selliste küsimuste pinda lihtsalt kriimustama, on need väga olulised ja neil on potentsiaal muuta füüsikat väga fundamentaalsel tasemel. ”
Stadel ja tema kolleegid loodavad tulevikus viia läbi kosmilise evolutsiooni simulatsioone, milles võetakse arvesse mõlemat tumedat ainet ja tume energia. Kunagi võiksid need looduse eksootilised aspektid moodustada uue kosmoloogia tugisambad, mis ulatuvad kaugemale tavamudeli füüsikast. Vahepeal ootavad kogu maailma astrofüüsikud tõenäoliselt söödud hingetõmbega Euclid'i missiooni esimest tulemust.
Euclid on üks paljudest missioonidest, mis tegeleb praegu tumeaine jahtimisega ja uurib, kuidas see meie Universumit kujundas. Teiste hulgas on ISS-i pardal tehtud alfa-magnetilise spektromeetri (AMS-02) katse, ESO Kilo kraadiuuring (KiDS) ja CERN-i suur Hardon Collider. Õnneks paljastavad need katsed kosmoloogilise mõistatuse tükid, mis on aastakümnete jooksul tabamatuks jäänud.
