Понимание Вселенной и того, как она развивалась в течение миллиардов лет, является довольно сложной задачей. С одной стороны, это требует тщательного изучения миллиардов световых лет в глубоком космосе (и, следовательно, миллиардов лет назад), чтобы увидеть, как его крупномасштабная структура изменилась со временем. Затем требуется огромное количество вычислительной мощности для моделирования того, как оно должно выглядеть (на основе известной физики), и определения соответствия.
Именно это и сделала команда астрофизиков из Цюрихского университета (UZH) на суперкомпьютере Piz Daint. С помощью этой сложной машины они смоделировали формирование всей нашей Вселенной и создали каталог из примерно 25 миллиардов виртуальных галактик. Этот каталог будет запущен на борту миссии Евклида ЕКА в 2020 году, которая проведет шесть лет, исследуя Вселенную ради исследования темной материи.
Работа команды была подробно описана в исследовании, которое недавно появилось в журнале. Вычислительная астрофизика и космология. Под руководством Дугласа Поттера команда провела последние три года, разрабатывая оптимизированный код для описания (с беспрецедентной точностью) динамики темной материи, а также образования крупномасштабных структур во Вселенной.
Код, известный как PKDGRAV3, был специально разработан для оптимального использования доступной памяти и вычислительной мощности современных суперкомпьютерных архитектур. После выполнения на суперкомпьютере «Piz Daint», расположенном в Швейцарском национальном вычислительном центре (CSCS), всего за 80 часов, ему удалось создать виртуальную вселенную из двух триллионов макрочастиц, из которых каталог 25 миллиард виртуальных галактик был извлечен.
Их расчетам было то, каким образом жидкость темной материи развивалась под действием собственной гравитации, что приводило к образованию небольших концентраций, известных как «гало темной материи». Именно в этих гало - теоретическом компоненте, который, как считается, простирается далеко за пределы видимой протяженности галактики, - как полагают, образовались галактики, подобные Млечному Пути.
Естественно, это представляло собой довольно сложную задачу. Это требовало не только точного расчета эволюции структуры темной материи, но и того, чтобы они рассмотрели, как это повлияет на любую другую часть Вселенной. Как сказал в интервью журналу Space Magazine Йоахим Штадель, профессор Центра теоретической астрофизики и космологии в УЖ и соавтор статьи, по электронной почте:
«Мы смоделировали 2 триллиона таких« кусочков »темной материи, самый большой расчет такого типа, который когда-либо проводился. Чтобы сделать это, нам пришлось использовать вычислительную технику, известную как «быстрый мультипольный метод», и использовать один из самых быстрых компьютеров в мире, «Piz Daint» в Швейцарском национальном суперкомпьютерном центре, который, помимо прочего, имеет очень быстрые устройства обработки графики (GPU), которые позволяют значительно ускорить вычисления с плавающей запятой, необходимые для симуляции. Темная материя группируется в «гало» темной материи, которые в свою очередь укрывают галактики. Наш расчет точно дает распределение и свойства темной материи, включая гало, но галактики со всеми их свойствами должны быть размещены в этих гало с использованием модели. Эта часть задачи была выполнена нашими коллегами в Барселоне под руководством Пабло Фоссальбы и Франциско Кастандера. Эти галактики имеют ожидаемые цвета, пространственное распределение и линии излучения (что важно для спектров, наблюдаемых Евклидом) и могут быть использованы для проверки и калибровки различных систематических и случайных ошибок во всем приборе Евклида ».
Благодаря высокой точности их расчетов команда смогла составить каталог, который отвечал требованиям миссии Евклида Европейского космического агентства, главная цель которой - исследовать «темную вселенную». Такого рода исследования необходимы для понимания Вселенной в самых больших масштабах, главным образом потому, что подавляющее большинство Вселенной темное.
Между 23% Вселенной, которая состоит из темной материи, и 72%, которая состоит из темной энергии, только одна двадцатая часть Вселенной фактически состоит из материи, которую мы можем видеть с помощью обычных инструментов (иначе говоря, «светящихся»). или барионная материя). Несмотря на то, что темная материя и темная энергия были предложены в 1960-х и 1990-х годах соответственно, они остаются двумя величайшими космологическими загадками.
Учитывая, что их существование необходимо для того, чтобы наши современные космологические модели работали, их существование только когда-либо определялось косвенным наблюдением. Это именно то, что будет делать миссия Евклида в течение своей шестилетней миссии, которая будет состоять из захвата света от миллиардов галактик и измерения его на тонкие искажения, вызванные присутствием массы на переднем плане.
Подобно тому, как измерение фонового света может быть искажено присутствием гравитационного поля между ним и наблюдателем (т. Е. Проверенный временем тест на общую относительность), присутствие темной материи будет оказывать гравитационное влияние на свет. Как объяснил Штадель, их симулированная Вселенная будет играть важную роль в этой миссии Евклида - обеспечивая основу, которая будет использоваться во время и после миссии.
«Чтобы предсказать, насколько хорошо текущие компоненты смогут выполнить данное измерение, необходимо создать Вселенную, заполненную галактиками, максимально приближенными к реальной наблюдаемой Вселенной», - сказал он. «Этот« фиктивный »каталог галактик - это то, что было сгенерировано в результате симуляции и теперь будет использоваться таким образом. Однако в будущем, когда Евклид начнет собирать данные, нам также потребуется использовать симуляции, подобные этой, для решения обратной задачи. Тогда нам понадобится взять наблюдаемую Вселенную и определить фундаментальные параметры космологии; соединение, которое в настоящее время может быть выполнено только с достаточной точностью при большом моделировании, подобном тому, которое мы только что выполнили. Это второй важный аспект того, как такая симуляция работает [и] является центральной в миссии Евклида ».
Из данных Евклида исследователи надеются получить новую информацию о природе темной материи, а также открыть новую физику, которая выходит за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц - то есть модифицированной версии общей теории относительности или частиц нового типа. Как объяснил Штадель, лучшим результатом миссии будет тот, в котором результаты не соответствовать ожиданиям.
«Хотя он, безусловно, сделает самые точные измерения фундаментальных космологических параметров (таких как количество темной материи и энергии во Вселенной), гораздо более захватывающим будет измерение чего-то, что конфликтует или, по крайней мере, находится в напряжении с текущая модель «стандартной лямбда-холодной темной материи» (LCDM) », - сказал он. «Один из самых больших вопросов заключается в том, является ли так называемая« темная энергия »этой модели на самом деле формой энергии, или же она более правильно описывается модификацией общей теории относительности Эйнштейна. Хотя мы можем только начать разбирать поверхность таких вопросов, они очень важны и могут изменить физику на очень фундаментальном уровне ».
В будущем Штадель и его коллеги надеются провести симуляции космической эволюции, учитывающие как темную материю а также темная энергия. Когда-нибудь эти экзотические аспекты природы могут сформировать опоры новой космологии, которая выходит за пределы физики Стандартной Модели. Тем временем астрофизики со всего мира, скорее всего, будут ждать первую партию результатов миссии Евклида с дыханием с приманкой.
Евклид является одной из нескольких миссий, которая в настоящее время занимается охотой на темную материю и изучением того, как она сформировала нашу Вселенную. К другим относятся эксперимент по альфа-магнитному спектрометру (AMS-02) на борту МКС, исследование степени килограмма ESO (KiDS) и большой хардоновский коллайдер CERN. Если повезет, эти эксперименты покажут кусочки космологической загадки, которые оставались неуловимыми в течение десятилетий.
