At forstå universet og hvordan det har udviklet sig i løbet af milliarder af år er en temmelig skræmmende opgave. På den ene side involverer det omhyggeligt kigge milliarder af lysår i det dybe rum (og dermed milliarder af år tilbage i tiden) for at se, hvordan dens storskala struktur ændrede sig over tid. Derefter er der brug for enorme mængder computerkraft for at simulere, hvordan det skal se ud (baseret på kendt fysik) og se, om de stemmer overens.
Det var hvad et team af astrofysikere fra University of Zurich (UZH) gjorde ved hjælp af ”Piz Daint” supercomputeren. Med denne sofistikerede maskine simulerede de dannelsen af hele vores univers og producerede et katalog med omkring 25 milliarder virtuelle galakser. Dette katalog lanceres ombord på ESAs Euclid-mission i 2020, som vil bruge seks år på at undersøge universet med henblik på at undersøge mørk materie.
Holdets arbejde blev detaljeret beskrevet i en undersøgelse, der fremkom recetly i tidsskriftet Computational Astrophysics and Cosmology. Under ledelse af Douglas Potter brugte teamet de sidste tre år på at udvikle en optimeret kode til at beskrive (med hidtil uset nøjagtighed) dynamikken i mørkt stof såvel som dannelsen af store strukturer i universet.
Koden, kendt som PKDGRAV3, var specifikt designet til optimalt at bruge den tilgængelige hukommelse og processorkraft fra moderne supercomputer-arkitekturer. Efter at være henrettet på Piz Daint-supercomputeren - placeret i Swiss National Computing Center (CSCS) - i en periode på kun 80 timer, lykkedes det at generere et virtuelt univers af to billioner makropartikler, hvorfra en katalog på 25 milliarder virtuelle galakser blev udvundet.
Intrinsik til deres beregninger var den måde, hvorpå mørkt stofvæske ville have udviklet sig under sin egen tyngdekraft, hvilket således førte til dannelse af små koncentrationer kendt som ”mørkstof-haloer”. Det er inden for disse glorier - en teoretisk komponent, der menes at strække sig langt ud over den synlige udstrækning af en galakse - det antages, at galakser som Mælkevejen har dannet sig.
Naturligvis præsenterede dette ganske udfordringen. Det krævede ikke kun en præcis beregning af, hvordan strukturen af mørkt stof udvikler sig, men krævede også, at de overvejede, hvordan dette ville påvirke enhver anden del af Universet. Som Joachim Stadel, en professor ved Center for Teoretisk Astrofysik og Kosmologi ved UZH og en medforfatter på papiret, fortalte Space Magazine via e-mail:
”Vi simulerede 2 billioner sådanne mørke stoffer” stykker ”, den største beregning af denne type, der nogensinde er blevet udført. For at gøre dette var vi nødt til at bruge en beregningsteknik kendt som ”hurtig multipolmetode” og bruge en af de hurtigste computere i verden, ”Piz Daint” på Swiss National Supercomputing Center, der blandt andet har meget hurtige grafikbehandlingsenheder (GPU'er), der tillader en enorm fremskyndelse af de flydende punktberegninger, der er nødvendige i simuleringen. Den mørke materie klynger sig ind i ”haloer” af mørk stof, som igen huser galakserne. Vores beregning producerer nøjagtigt fordelingen og egenskaberne for det mørke stof, inklusive glorierne, men galakserne med alle deres egenskaber skal placeres inden for disse glorier ved hjælp af en model. Denne del af opgaven blev udført af vores kolleger i Barcelona under ledelse af Pablo Fossalba og Francisco Castander. Disse galakser har derefter de forventede farver, den rumlige fordeling og emissionslinierne (vigtige for spektre observeret af Euclid) og kan bruges til at teste og kalibrere forskellige systematiske og tilfældige fejl inden for hele instrumentets rørledning til Euclid. ”
Takket være den høje præcision i deres beregninger var teamet i stand til at slå et katalog ud, der opfyldte kravene fra Det Europæiske Rumagenturs Euclid-mission, hvis hovedmål er at udforske det ”mørke univers”. Denne form for forskning er vigtig for at forstå universet på den største skala, hovedsageligt fordi det store flertal af universet er mørkt.
Mellem de 23% af universet, der består af mørkt stof og de 72%, der består af mørk energi, består kun en tyvende af universet faktisk af stof, som vi kan se med normale instrumenter (også kaldet "lysende" eller baryonisk sag). På trods af at de blev foreslået i henholdsvis 1960'erne og 1990'erne forbliver mørkt stof og mørk energi to af de største kosmologiske mysterier.
I betragtning af at deres eksistens er påkrævet for at vores nuværende kosmologiske modeller kan fungere, er deres eksistens kun nogensinde blevet udledt gennem indirekte observation. Dette er netop, hvad Euclid-missionen vil gøre i løbet af sin seksårige mission, som vil bestå af, at den fanger lys fra milliarder af galakser og måler den for subtile forvrængninger forårsaget af tilstedeværelsen af masse i forgrunden.
Meget på samme måde som måling af baggrundslys kan blive forvrænget af tilstedeværelsen af et tyngdekraftfelt mellem det og observatøren (dvs. en tid-hædret test for generel relativitet), vil tilstedeværelsen af mørkt stof have en gravitationsindflydelse på lyset. Som Stadel forklarede, vil deres simulerede univers spille en vigtig rolle i denne Euklid-mission - at tilvejebringe en ramme, der vil blive brugt under og efter missionen.
”For at forudsige, hvor godt de nuværende komponenter vil være i stand til at foretage en given måling, skal der oprettes et univers befolket med galakser så tæt som muligt på det virkelige observerede univers,” sagde han. ”Dette 'spot' katalog over galakser er det, der blev genereret fra simuleringen og vil nu blive brugt på denne måde. I fremtiden, når Euclid begynder at tage data, bliver vi imidlertid også nødt til at bruge simuleringer som denne for at løse det omvendte problem. Vi bliver derefter nødt til at være i stand til at tage det observerede univers og bestemme de grundlæggende parametre for kosmologien; en forbindelse, der i øjeblikket kun kan oprettes med tilstrækkelig præcision ved store simuleringer som den, vi netop har udført. Dette er et andet vigtigt aspekt af, hvordan en sådan simulering fungerer [og] er centralt i Euclid-missionen. ”
Fra Euclid-dataene håber forskere at få nye oplysninger om arten af mørkt stof, men også at opdage ny fysik, der går ud over standardmodellen for partikelfysik - dvs. en modificeret version af generel relativitet eller en ny type partikel. Som Stadel forklarede, ville det bedste resultat for missionen være et resultat, som resultaterne gør ikke overholde forventningerne.
”Selvom det helt sikkert vil foretage de mest nøjagtige målinger af grundlæggende kosmologiske parametre (såsom mængden af mørkt stof og energi i universet), ville langt mere spændende være at måle noget, der er i konflikt eller i det mindste er i spænding med nuværende 'standard lambda koldt mørkt stof' (LCDM) -model, «sagde han. ”Et af de største spørgsmål er, om den såkaldte” mørke energi ”i denne model faktisk er en form for energi, eller om den er mere korrekt beskrevet ved en ændring af Einsteins generelle relativitetsteori. Selvom vi måske bare begynder at ridse overfladen på sådanne spørgsmål, er de meget vigtige og har potentialet til at ændre fysik på et meget grundlæggende niveau. ”
I fremtiden håber Stadel og hans kolleger at køre simuleringer af kosmisk udvikling, der tager højde for begge mørke stoffer og mørk energi. En dag kunne disse eksotiske aspekter af naturen danne søjlerne i en ny kosmologi, en der strækker sig ud over fysik i standardmodellen. I mellemtiden vil astrofysikere fra hele verden sandsynligvis vente på den første batch af resultater fra Euclid-missionen med lokket ånde.
Euclid er et af flere missioner, der i øjeblikket beskæftiger sig med jagt på mørkt stof og studiet af, hvordan det formede vores univers. Andre inkluderer eksperimentet Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) ombord på ISS, ESOs Kilo Degree Survey (KiDS) og CERNs Big Hardon Collider. Heldigvis afslører disse eksperimenter stykker til det kosmologiske puslespil, der har været undvigende i årtier.
