Evreni ve milyarlarca yıl boyunca nasıl geliştiğini anlamak oldukça göz korkutucu bir iştir. Bir yandan, büyük ölçekli yapısının zaman içinde nasıl değiştiğini görmek için milyarlarca ışık yılı derin uzaya (ve böylece milyarlarca yıl öncesine) özenle bakmayı içerir. Daha sonra, neye benzemesi gerektiğini (bilinen fiziğe dayalı olarak) simüle etmek ve eşleşip eşleşmediklerini görmek için büyük miktarda hesaplama gücüne ihtiyaç vardır.
Zürih Üniversitesi'nden (UZH) bir astrofizik ekibi “Piz Daint” süper bilgisayarını kullanarak bunu yaptı. Bu sofistike makine ile, tüm Evrenimizin oluşumunu simüle ettiler ve yaklaşık 25 milyar sanal galaksinin bir kataloğunu ürettiler. Bu katalog, ESA’nın 2020 yılında, karanlık maddeyi araştırmak adına Evreni araştırmak için altı yıl geçirecek olan Euclid misyonunda yayınlanacak.
Dergide tekrar tekrar ortaya çıkan bir çalışmada ekibin çalışması ayrıntılıydı Hesaplamalı Astrofizik ve Kozmoloji. Douglas Potter liderliğindeki ekip, karanlık üçgenin dinamiklerini ve Evrendeki büyük ölçekli yapıların oluşumunu tanımlamak için (benzeri görülmemiş bir doğrulukla) optimize edilmiş bir kod geliştirerek son üç yılı geçirdi.
PKDGRAV3 olarak bilinen kod, modern süper bilgi işlem mimarilerinin mevcut belleğini ve işlem gücünü en iyi şekilde kullanmak için özel olarak tasarlanmıştır. İsviçre Ulusal Bilgi İşlem Merkezi'nde (CSCS) bulunan “Piz Daint” süper bilgisayarı üzerinde çalıştırıldıktan sonra, yalnızca 80 saatlik bir süre boyunca iki trilyon makro parçacıktan oluşan sanal bir Evren yaratmayı başardı. milyar sanal gökada çıkarıldı.
Hesaplamalarına özgü olarak, karanlık madde akışkanının kendi yerçekimi altında evrimleşmesi, böylece “karanlık madde haleleri” olarak bilinen küçük konsantrasyonların oluşmasına yol açmasıydı. Samanyolu gibi gökadaların oluştuğuna inanılan bu haleler - bir galaksinin görünür boyutunun çok ötesine uzandığı düşünülen teorik bir bileşen - içinde.
Doğal olarak, bu oldukça zorlayıcıydı. Sadece karanlık maddenin yapısının nasıl geliştiğinin kesin bir hesaplamasını değil, aynı zamanda bunun Evrenin diğer kısımlarını nasıl etkileyeceğini de düşünmelerini gerektiriyordu. UZH'de Teorik Astrofizik ve Kozmoloji Merkezi ile profesör Joachim Stadel ve gazetede ortak yazar olarak Space Magazine'e e-posta yoluyla şunları söyledi:
“Bu türden yapılmış en büyük hesaplama olan 2 trilyon böylesine karanlık madde“ parçasını ”simüle ettik. Bunu yapmak için, “hızlı çok kutuplu yöntem” olarak bilinen bir hesaplama tekniği kullanmamız ve dünyanın en hızlı bilgisayarlarından biri olan İsviçre Ulusal Süper Hesaplama Merkezi'nde “Piz Daint” kullanmamız gerekiyordu. (GPU'lar) simülasyonda ihtiyaç duyulan kayan nokta hesaplamalarının muazzam hızlanmasını sağlar. Karanlık madde, galaksileri barındıran karanlık madde “haleler” ne kümelenir. Hesaplamamız, haleler de dahil olmak üzere karanlık maddenin dağılımını ve özelliklerini doğru bir şekilde üretir, ancak tüm özelliklerine sahip galaksiler, bir model kullanılarak bu halelerin içine yerleştirilmelidir. Görevin bu kısmı Barselona'daki meslektaşlarımız tarafından Pablo Fossalba ve Francisco Castander yönetiminde gerçekleştirildi. Bu galaksiler daha sonra beklenen renklere, uzamsal dağılıma ve emisyon hatlarına (Euclid tarafından gözlemlenen spektrumlar için önemlidir) sahiptir ve Euclid'in tüm enstrüman boru hattı içindeki çeşitli sistematiği ve rastgele hataları test etmek ve kalibre etmek için kullanılabilir. ”
Hesaplamalarının yüksek hassasiyeti sayesinde, ekip, ana hedefi “karanlık evreni” keşfetmek olan Avrupa Uzay Ajansı'nın Öklid misyonunun gereksinimlerini karşılayan bir katalog çıkardı. Bu tür bir araştırma, Evreni en büyük ölçeklerde anlamak için esastır, çünkü Evrenin büyük çoğunluğu karanlıktır.
Karanlık maddeden oluşan Evrenin% 23'ü ve karanlık enerjiden oluşan% 72'si arasında, Evrenin sadece yirmide biri normal enstrümanlarla görebildiğimiz maddeden (yani “aydınlık”) oluşur. veya baryonik madde). Sırasıyla 1960'lar ve 1990'larda önerilmesine rağmen, karanlık madde ve karanlık enerji en büyük kozmolojik gizemlerden ikisi olmaya devam ediyor.
Mevcut kozmolojik modellerimizin çalışması için varlıklarının gerekli olduğu göz önüne alındığında, onların varlığı yalnızca dolaylı gözlem yoluyla çıkartıldı. Bu, Euclid misyonunun, milyarlarca galaksiden gelen ışığı yakalamasını ve ön planda kitlenin varlığından kaynaklanan ince çarpıklıklar için ölçmesini içeren altı yıllık misyonu boyunca tam olarak yapacağı şeydir.
Arka plan ışığını ölçmenin, gözlemci ile gözlemci arasında yerçekimi alanı (yani Genel Görelilik için zaman onurlu bir test) bulunmasıyla bozulabildiği gibi, karanlık maddenin varlığı ışık üzerinde yerçekimi etkisi gösterecektir. Stadel'in açıkladığı gibi, simüle edilmiş Evrenleri bu Öklid görevinde önemli bir rol oynayacak - görev sırasında ve sonrasında kullanılacak bir çerçeve sunacak.
“Mevcut bileşenlerin belirli bir ölçümü ne kadar iyi yapabileceğini tahmin etmek için, gözlemlenen gerçek Evrene olabildiğince yakın galaksilerle dolu bir Evren oluşturulmalıdır” dedi. “Bu 'sahte' gökada kataloğu, simülasyondan üretilmiş ve şimdi bu şekilde kullanılacak. Bununla birlikte, gelecekte Öklid veri almaya başladığında, ters problemi çözmek için bunun gibi simülasyonlar kullanmamız gerekecek. O zaman gözlemlenen Evreni alıp kozmolojinin temel parametrelerini belirleyebilmemiz gerekecek; şu anda, henüz yeni yaptığımız gibi büyük simülasyonlarla yeterli bir hassasiyetle yapılabilen bir bağlantı. Bu, böyle bir simülasyonun [ve] Öklid misyonunun merkezi olmasının ikinci önemli bir yönüdür. ”
Öklid verilerinden araştırmacılar, karanlık maddenin doğası hakkında yeni bilgiler edinmeyi umuyor, aynı zamanda parçacık fiziğinin Standart Modelinin ötesine geçen yeni fiziği, yani genel göreliliğin modifiye edilmiş bir versiyonunu veya yeni bir parçacık türünü keşfetmeyi umuyorlar. Stadel'in açıkladığı gibi, görevin en iyi sonucu, sonuçların değil beklentilere uymak.
“Temel kozmolojik parametrelerin (Evrendeki karanlık madde ve enerji miktarı gibi) en doğru ölçümlerini kesinlikle daha heyecan verici hale getirecek olsa da, çatışan veya en azından mevcut 'standart lambda soğuk karanlık madde' (LCDM) modeli ”dedi. “En büyük sorulardan biri, bu modelin“ karanlık enerji ”nin aslında bir enerji türü olup olmadığı veya Einstein’ın genel görelilik teorisinde yapılan bir değişiklikle daha doğru bir şekilde tanımlanıp tanımlanmadığıdır. Bu tür soruların yüzeyini çizmeye başlasak da çok önemlidirler ve fiziği çok temel bir seviyede değiştirme potansiyeline sahiptirler. ”
Gelecekte Stadel ve meslektaşları, her iki karanlık maddeyi de hesaba katan kozmik evrim üzerinde simülasyonlar yürütmeyi umuyorlar ve karanlık enerji. Bir gün, doğanın bu egzotik yönleri, Standart Modelin fiziğinin ötesine uzanan yeni bir kozmolojinin sütunlarını oluşturabilir. Bu arada, dünyanın dört bir yanından gelen astrofizikçiler muhtemelen Öklid misyonundan batan nefesle ilk sonuç grubunu bekliyor olacaklar.
Öklid, şu anda karanlık madde avına ve Evrenimizi nasıl şekillendirdiğine dair araştırma yapan birkaç görevden biridir. Diğerleri arasında ISS, ESO’nun Kilo Derecesi Anketi (KiDS) ve CERN’in Büyük Hardon Çarpıştırıcısı üzerindeki Alfa Manyetik Spektrometre (AMS-02) deneyi yer alıyor. Şansla, bu deneyler, onlarca yıldır zor kalan kozmolojik bulmacanın parçalarını ortaya çıkaracaktır.
