Η κατανόηση του Σύμπαντος και του πώς έχει εξελιχθεί κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών είναι ένα μάλλον τρομακτικό έργο. Από τη μία πλευρά, περιλαμβάνει προσεκτικά κοιτάζοντας δισεκατομμύρια έτη φωτός στο βαθύ διάστημα (και, επομένως, δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στο χρόνο) για να δούμε πώς η δομή της μεγάλης κλίμακας άλλαξε με την πάροδο του χρόνου. Στη συνέχεια, απαιτούνται τεράστιες ποσότητες υπολογιστικής ισχύος για την προσομοίωση της εμφάνισης (βάσει της γνωστής φυσικής) και για να δούμε αν ταιριάζουν.
Αυτό έκανε μια ομάδα αστροφυσικών από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης (UZH) χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή "Piz Daint". Με αυτό το εξελιγμένο μηχάνημα, προσομοίωσαν τη δημιουργία ολόκληρου του Σύμπαντος μας και παρήγαγαν έναν κατάλογο περίπου 25 δισεκατομμυρίων εικονικών γαλαξιών. Αυτός ο κατάλογος θα κυκλοφορήσει στην αποστολή Euclid της ESA το 2020, η οποία θα περάσει έξι χρόνια για να διερευνήσει το Σύμπαν για να διερευνήσει τη σκοτεινή ύλη.
Η εργασία της ομάδας αναλύθηκε λεπτομερώς σε μια μελέτη που εμφανίστηκε επανειλημμένα στο περιοδικό Υπολογιστική Αστροφυσική και Κοσμολογία. Με επικεφαλής τον Ντάγκλας Πότερ, η ομάδα πέρασε τα τελευταία τρία χρόνια αναπτύσσοντας έναν βελτιστοποιημένο κώδικα για να περιγράψει (με άνευ προηγουμένου ακρίβεια) τη δυναμική της σκοτεινής ύλης καθώς και το σχηματισμό δομών μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν.
Ο κωδικός, γνωστός ως PKDGRAV3, σχεδιάστηκε ειδικά για τη βέλτιστη χρήση της διαθέσιμης μνήμης και επεξεργαστικής ισχύος των σύγχρονων αρχιτεκτονικών υπερ-υπολογιστών. Αφού εκτελέστηκε στον υπερυπολογιστή "Piz Daint" - που βρίσκεται στο Ελβετικό Εθνικό Κέντρο Πληροφορικής (CSCS) - για περίοδο μόνο 80 ωρών, κατάφερε να δημιουργήσει ένα εικονικό Σύμπαν δύο τρισεκατομμυρίων μακροσωματιδίων, από τα οποία ένας κατάλογος 25 δισεκατομμύρια εικονικοί γαλαξίες εξήχθησαν.
Εγγενής με τους υπολογισμούς τους ήταν ο τρόπος με τον οποίο το υγρό της σκοτεινής ύλης θα είχε εξελιχθεί υπό τη δική του βαρύτητα, οδηγώντας έτσι στο σχηματισμό μικρών συγκεντρώσεων γνωστών ως «φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης». Είναι μέσα σε αυτά τα φωτοστέφανα - ένα θεωρητικό στοιχείο που πιστεύεται ότι εκτείνεται πολύ πέρα από την ορατή έκταση ενός γαλαξία - πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας.
Φυσικά, αυτό παρουσίαζε την πρόκληση. Απαιτούσε όχι μόνο έναν ακριβή υπολογισμό του τρόπου με τον οποίο εξελίσσεται η δομή της σκοτεινής ύλης, αλλά και ότι πρέπει να εξετάσουν πώς αυτό θα επηρέαζε κάθε άλλο μέρος του Σύμπαντος. Όπως δήλωσε ο Joachim Stadel, καθηγητής στο Κέντρο Θεωρητικής Αστροφυσικής και Κοσμολογίας στο UZH και συν-συγγραφέας στο περιοδικό, στο Space Magazine μέσω email:
«Προσομοιώσαμε 2 τρισεκατομμύρια τέτοια κομμάτια σκοτεινής ύλης, τον μεγαλύτερο υπολογισμό αυτού του τύπου που έχει πραγματοποιηθεί ποτέ. Για να το κάνουμε αυτό έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε μια τεχνική υπολογισμού γνωστή ως «γρήγορη πολλαπλή μέθοδος» και να χρησιμοποιήσουμε έναν από τους γρηγορότερους υπολογιστές στον κόσμο, «Piz Daint» στο Ελβετικό Εθνικό Κέντρο Υπερυπολογιστών, ο οποίος μεταξύ άλλων έχει πολύ γρήγορες μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU) που επιτρέπουν μια τεράστια επιτάχυνση των υπολογισμών κινητής υποδιαστολής που απαιτούνται στην προσομοίωση. Η σκοτεινή ύλη συσσωρεύεται σε σκοτεινή ύλη «φωτοστέφανα» που με τη σειρά τους φιλοξενούν τους γαλαξίες. Ο υπολογισμός μας παράγει με ακρίβεια την κατανομή και τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης, συμπεριλαμβανομένων των φωτοστέφανων, αλλά οι γαλαξίες, με όλες τις ιδιότητές τους, πρέπει να τοποθετηθούν σε αυτά τα φωτοστέφανα χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο. Αυτό το μέρος του έργου εκτελέστηκε από τους συναδέλφους μας στη Βαρκελώνη υπό τη διεύθυνση των Pablo Fossalba και Francisco Castander. Αυτοί οι γαλαξίες έχουν στη συνέχεια τα αναμενόμενα χρώματα, τη χωρική κατανομή και τις γραμμές εκπομπών (σημαντικές για τα φάσματα που παρατηρούνται από το Euclid) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο και τη βαθμονόμηση διαφόρων συστημικών και τυχαίων σφαλμάτων σε ολόκληρο τον αγωγό οργάνων του Euclid. "
Χάρη στην υψηλή ακρίβεια των υπολογισμών τους, η ομάδα κατάφερε να καταλήξει σε έναν κατάλογο που πληρούσε τις απαιτήσεις της αποστολής Euclid της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, της οποίας ο κύριος στόχος είναι να εξερευνήσει το «σκοτεινό σύμπαν». Αυτό το είδος έρευνας είναι απαραίτητο για την κατανόηση του Σύμπαντος στη μεγαλύτερη κλίμακα, κυρίως επειδή η συντριπτική πλειονότητα του Σύμπαντος είναι σκοτεινή.
Μεταξύ του 23% του Σύμπαντος που αποτελείται από σκοτεινή ύλη και του 72% που αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια, μόνο το ένα εικοστό του Σύμπαντος αποτελείται πραγματικά από ύλη που μπορούμε να δούμε με κανονικά όργανα (γνωστός και ως «φωτεινή» ή βαρυονική ύλη). Παρόλο που προτάθηκε κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960 και του 1990 αντίστοιχα, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια παραμένουν δύο από τα μεγαλύτερα κοσμολογικά μυστήρια.
Δεδομένου ότι απαιτείται η ύπαρξή τους για να λειτουργήσουν τα σημερινά κοσμολογικά μοντέλα μας, η ύπαρξή τους συνάγεται μόνο μέσω έμμεσης παρατήρησης. Αυτό ακριβώς θα κάνει η αποστολή Euclid κατά τη διάρκεια της εξαετούς αποστολής της, η οποία θα συνίσταται από τη λήψη φωτός από δισεκατομμύρια γαλαξίες και τη μέτρησή του για λεπτές παραμορφώσεις που προκαλούνται από την παρουσία μάζας στο προσκήνιο.
Με τον ίδιο τρόπο που η μέτρηση του φωτός του φόντου μπορεί να παραμορφωθεί από την παρουσία ενός βαρυτικού πεδίου μεταξύ αυτού και του παρατηρητή (δηλ. Μια δοκιμασμένη για το χρόνο γενική σχετικότητα), η παρουσία της σκοτεινής ύλης θα ασκήσει βαρυτική επίδραση στο φως. Όπως εξήγησε ο Stadel, το προσομοιωμένο σύμπαν τους θα διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε αυτήν την αποστολή Euclid - παρέχοντας ένα πλαίσιο που θα χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια και μετά την αποστολή.
«Για να προβλέψουμε πόσο καλά τα τρέχοντα συστατικά θα είναι σε θέση να κάνουν μια δεδομένη μέτρηση, πρέπει να δημιουργηθεί ένα Σύμπαν με πληθυσμούς γαλαξιών όσο το δυνατόν πιο κοντά στο πραγματικό παρατηρούμενο Σύμπαν», είπε. Αυτός ο «πλαστός» κατάλογος γαλαξιών είναι αυτός που δημιουργήθηκε από την προσομοίωση και θα χρησιμοποιηθεί τώρα με αυτόν τον τρόπο. Ωστόσο, στο μέλλον, όταν ο Euclid αρχίσει να παίρνει δεδομένα, θα χρειαστεί επίσης να χρησιμοποιήσουμε προσομοιώσεις όπως αυτή για να λύσουμε το αντίστροφο πρόβλημα. Τότε θα πρέπει να είμαστε σε θέση να πάρουμε το παρατηρούμενο Σύμπαν και να καθορίσουμε τις θεμελιώδεις παραμέτρους της κοσμολογίας. μια σύνδεση που επί του παρόντος μπορεί να γίνει μόνο με επαρκή ακρίβεια από μεγάλες προσομοιώσεις όπως αυτή που μόλις πραγματοποιήσαμε. Αυτή είναι μια δεύτερη σημαντική πτυχή του τρόπου λειτουργίας αυτής της προσομοίωσης [και] είναι κεντρικής σημασίας για την αποστολή Euclid. "
Από τα δεδομένα του Euclid, οι ερευνητές ελπίζουν να αποκτήσουν νέες πληροφορίες σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης, αλλά και να ανακαλύψουν νέα φυσική που υπερβαίνει το Πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων - δηλαδή μια τροποποιημένη έκδοση της γενικής σχετικότητας ή ενός νέου τύπου σωματιδίου. Όπως εξήγησε ο Stadel, το καλύτερο αποτέλεσμα για την αποστολή θα ήταν αυτό στο οποίο θα έχουν τα αποτελέσματα δεν συμμορφωθείτε με τις προσδοκίες.
«Ενώ σίγουρα θα κάνει τις πιο ακριβείς μετρήσεις των θεμελιωδών κοσμολογικών παραμέτρων (όπως η ποσότητα της σκοτεινής ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν) πολύ πιο συναρπαστικό θα ήταν να μετρήσουμε κάτι που έρχεται σε σύγκρουση ή, τουλάχιστον, βρίσκεται σε ένταση με το τρέχον μοντέλο «τυπικής λάμδα κρύας ύλης» (LCDM) », είπε. «Ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα είναι αν η λεγόμενη« σκοτεινή ενέργεια »αυτού του μοντέλου είναι στην πραγματικότητα μια μορφή ενέργειας ή αν περιγράφεται πιο σωστά με μια τροποποίηση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Ενώ μπορεί να αρχίσουμε να χαράζουμε την επιφάνεια τέτοιων ερωτήσεων, είναι πολύ σημαντικά και έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν τη φυσική σε πολύ θεμελιώδες επίπεδο. "
Στο μέλλον, ο Stadel και οι συνάδελφοί του ελπίζουν να διεξάγουν προσομοιώσεις για την κοσμική εξέλιξη που λαμβάνουν υπόψη και τη σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Κάποια μέρα, αυτές οι εξωτικές πτυχές της φύσης θα μπορούσαν να αποτελέσουν τους πυλώνες μιας νέας κοσμολογίας, που φτάνει πέρα από τη φυσική του Πρότυπου Μοντέλου. Εν τω μεταξύ, οι αστροφυσικοί από όλο τον κόσμο πιθανότατα θα περιμένουν την πρώτη παρτίδα αποτελεσμάτων από την αποστολή Euclid με δόλωμα.
Το Euclid είναι μια από τις πολλές αποστολές που ασχολείται επί του παρόντος με το κυνήγι της σκοτεινής ύλης και τη μελέτη του πώς διαμόρφωσε το Σύμπαν μας. Άλλοι περιλαμβάνουν το πείραμα Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) στο ISS, το ESO’s Kilo Degree Survey (KiDS) και το CERN’s Large Hardon Collider. Με τύχη, αυτά τα πειράματα θα αποκαλύψουν κομμάτια στο κοσμολογικό παζλ που έχουν παραμείνει αόριστο για δεκαετίες.
