Înțelegerea Universului și modul în care a evoluat de-a lungul a miliarde de ani este o sarcină destul de descurajantă. Pe de o parte, implică căutarea minuțioasă a miliarde de ani-lumină într-un spațiu adânc (și astfel, miliarde de ani înapoi în timp) pentru a vedea cum s-a schimbat structura pe scară largă în timp. Apoi, sunt necesare cantități masive de putere de calcul pentru a simula cum ar trebui să arate (bazat pe fizica cunoscută) și pentru a vedea dacă se potrivesc.
Asta a făcut o echipă de astrofizicieni de la Universitatea din Zurich (UZH) folosind supercomputerul „Piz Daint”. Cu această mașină sofisticată, au simulat formarea întregului nostru univers și au produs un catalog de aproximativ 25 de miliarde de galaxii virtuale. Acest catalog va fi lansat la bordul misiunii Euclide a ESA în 2020, care va petrece șase ani analizând Universul de dragul investigării materiei întunecate.
Munca echipei a fost detaliată într-un studiu apărut în mod repetat în jurnal Astrofizică și Cosmologie computațională. Condusă de Douglas Potter, echipa a petrecut ultimii trei ani dezvoltând un cod optimizat pentru a descrie (cu o precizie fără precedent) dinamica materiei întunecate, precum și formarea de structuri la scară largă în Univers.
Codul, cunoscut sub numele de PKDGRAV3, a fost conceput special pentru a utiliza în mod optim memoria disponibilă și puterea de procesare a arhitecturilor moderne de super-calcul. După ce a fost executat pe supercomputerul „Piz Daint” - situat la Centrul Național Elvețian de Calcul (CSCS) - pentru o perioadă de numai 80 de ore, a reușit să genereze un Univers virtual de două trilioane de macro-particule, din care un catalog de 25 s-au extras miliarde de galaxii virtuale.
Intrinsic la calculele lor a fost modul în care lichidul de materie întunecată ar fi evoluat sub propria gravitație, ducând astfel la formarea de mici concentrații cunoscute sub numele de „halos de materie întunecată”. În aceste halos - o componentă teoretică despre care se crede că se extinde mult dincolo de amploarea vizibilă a unei galaxii - se consideră că galaxii precum Calea Lactee s-au format.
Desigur, aceasta a prezentat destul de provocarea. A necesitat nu numai un calcul precis al modului în care evoluează structura materiei întunecate, ci și că a luat în considerare modul în care aceasta ar influența orice altă parte a Universului. După cum a spus Joachim Stadel, profesor la Centrul pentru Astrofizică Teoretică și Cosmologie din UZH și coautor pe hârtie, la revista revista Space:
„Am simulat 2 trilioane de„ bucăți ”de materie întunecată, cel mai mare calcul de acest tip care a fost efectuat vreodată. Pentru aceasta, a trebuit să folosim o tehnică de calcul cunoscută sub numele de „metoda multipolilor rapide” și să folosim unul dintre cele mai rapide computere din lume, „Piz Daint” la Swiss National Supercomputing Center, care are, printre altele, unități de procesare grafică foarte rapide. (GPU) care permit o accelerare enormă a calculelor punctului flotant necesare în simulare. Materia întunecată se aglomerează în „halos” de materie întunecată, care la rândul lor adăpostesc galaxiile. Calculul nostru produce cu exactitate distribuția și proprietățile materiei întunecate, inclusiv halourilor, dar galaxiile, cu toate proprietățile lor, trebuie să fie plasate în aceste halos folosind un model. Această parte a sarcinii a fost realizată de colegii noștri de la Barcelona, sub conducerea lui Pablo Fossalba și Francisco Castander. Aceste galaxii au apoi culorile așteptate, distribuția spațială și liniile de emisie (importante pentru spectrele observate de Euclid) și pot fi utilizate pentru testarea și calibrarea diverselor erori sistematice și aleatoare ale întregii conducte instrumentale a Euclidului. "
Datorită preciziei ridicate a calculelor lor, echipa a fost capabilă să prezinte un catalog care îndeplinea cerințele misiunii Euclide a Agenției Spațiale Europene, al cărei obiectiv principal este explorarea „universului întunecat”. Acest tip de cercetare este esențial pentru înțelegerea Universului pe cea mai mare scară, mai ales că marea majoritate a Universului este întunecată.
Între 23% din Univers, care este alcătuit din materie întunecată și 72%, care constă din energie întunecată, doar o a douăzecea parte a Universului este de fapt formată din materie pe care o putem vedea cu instrumente normale (de asemenea, „luminoase”). sau materie baronică). În ciuda faptului că a fost propus în anii ’60 și, respectiv, în anii ’90, materia întunecată și energia întunecată rămân două dintre cele mai mari mistere cosmologice.
Având în vedere că existența lor este necesară pentru ca modelele noastre cosmologice actuale să funcționeze, existența lor a fost dedusă vreodată doar prin observarea indirectă. Aceasta este exact ceea ce va face misiunea Euclid pe parcursul misiunii sale de șase ani, care va consta în aceasta, captarea luminii din miliarde de galaxii și măsurarea acesteia pentru distorsiuni subtile cauzate de prezența masei în prim plan.
În același mod în care măsurarea luminii de fundal poate fi distorsionată de prezența unui câmp gravitațional între ea și observator (adică un test de onoare pentru Relativitatea generală), prezența materiei întunecate va exercita o influență gravitațională asupra luminii. După cum a explicat Stadel, Universul lor simulat va juca un rol important în această misiune Euclid - oferind un cadru care va fi utilizat în timpul și după misiune.
„Pentru a prognoza cât de bine vor putea face componentele actuale pentru o măsurătoare dată, trebuie creat un Univers populat cu galaxii cât mai aproape de Universul real observat”, a spus el. „Acest catalog„ batjocor ”al galaxiilor este ceea ce a fost generat din simulare și va fi folosit acum în acest mod. Cu toate acestea, în viitor, când Euclid va începe să ia date, va trebui să folosim de asemenea simulări pentru a rezolva problema inversă. Va trebui apoi să putem lua Universul observat și să determinăm parametrii fundamentali ai cosmologiei; conexiune care în prezent poate fi realizată doar la o precizie suficientă prin simulări mari precum cea pe care tocmai am efectuat-o. Acesta este un al doilea aspect important al modului în care o astfel de simulare funcționează [și] este esențial pentru misiunea Euclid. ”
Din datele euclidiene, cercetătorii speră să obțină noi informații despre natura materiei întunecate, dar și să descopere fizica nouă care depășește modelul standard al fizicii particulelor - adică o versiune modificată a relativității generale sau un nou tip de particule. După cum a explicat Stadel, rezultatul cel mai bun pentru misiune ar fi unul în care rezultatele sunt nu se conformează așteptărilor.
„Cu toate că va face cu siguranță măsurătorile cele mai precise ale parametrilor cosmologici fundamentali (cum ar fi cantitatea de materie întunecată și energie în Univers), este mult mai interesant să măsurăm ceva care intră în conflict sau, cel puțin, este în tensiune cu Modelul actual „standard lambda rece întuneric” (LCDM), a spus el. „Una dintre cele mai mari întrebări este dacă așa-numita„ energie întunecată ”a acestui model este de fapt o formă de energie sau dacă este descris mai corect printr-o modificare a teoriei generale a relativității lui Einstein. Deși putem începe doar să zgâriem suprafața unor astfel de întrebări, acestea sunt foarte importante și au potențialul de a schimba fizica la un nivel foarte fundamental. ”
În viitor, Stadel și colegii săi speră să deruleze simulări asupra evoluției cosmice care să țină cont de ambele materii întunecate și energie întunecată. Într-o zi, aceste aspecte exotice ale naturii ar putea constitui stâlpii unei noi cosmologii, care depășește fizica Modelului Standard. Între timp, astrofizicienii din întreaga lume vor aștepta, probabil, primul lot de rezultate din misiunea Euclid cu respirație.
Euclid este una dintre mai multe misiuni care este angajată în prezent în vânătoarea materiei întunecate și studiul modului în care a modelat Universul nostru. Alții includ experimentul Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) la bordul ISS, Studiul ESO Kilo Degree (KiDS) și colizorul de hardon mare al CERN. Cu noroc, aceste experimente vor dezvălui piese puzzle-ului cosmologic care au rămas evazive timp de zeci de ani.
