Das Universum zu verstehen und wie es sich im Laufe von Milliarden von Jahren entwickelt hat, ist eine ziemlich entmutigende Aufgabe. Einerseits geht es darum, Milliarden von Lichtjahren sorgfältig in den Weltraum (und damit Milliarden von Jahren in der Zeit zurück) zu schauen, um zu sehen, wie sich seine großräumige Struktur im Laufe der Zeit verändert hat. Dann werden enorme Mengen an Rechenleistung benötigt, um zu simulieren, wie es aussehen sollte (basierend auf der bekannten Physik) und um zu sehen, ob sie übereinstimmen.
Das hat ein Team von Astrophysikern der Universität Zürich (UZH) mit dem Supercomputer „Piz Daint“ gemacht. Mit dieser hoch entwickelten Maschine simulierten sie die Entstehung unseres gesamten Universums und erstellten einen Katalog mit etwa 25 Milliarden virtuellen Galaxien. Dieser Katalog wird 2020 an Bord der Euklid-Mission der ESA veröffentlicht, die sechs Jahre lang das Universum erforschen wird, um die Dunkle Materie zu untersuchen.
Die Arbeit des Teams wurde in einer Studie detailliert beschrieben, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Computergestützte Astrophysik und Kosmologie. Unter der Leitung von Douglas Potter entwickelte das Team in den letzten drei Jahren einen optimierten Code, um (mit beispielloser Genauigkeit) die Dynamik der Dunklen Materie sowie die Bildung großräumiger Strukturen im Universum zu beschreiben.
Der als PKDGRAV3 bekannte Code wurde speziell entwickelt, um den verfügbaren Speicher und die Verarbeitungsleistung moderner Super-Computing-Architekturen optimal zu nutzen. Nachdem es für nur 80 Stunden auf dem Supercomputer „Piz Daint“ ausgeführt wurde, der sich im Schweizerischen Nationalen Rechenzentrum (CSCS) befindet, gelang es ihm, ein virtuelles Universum aus zwei Billionen Makroteilchen zu erzeugen, aus dem ein Katalog von 25 besteht Milliarden virtuelle Galaxien wurden extrahiert.
Ihren Berechnungen war die Art und Weise eigen, in der sich die Flüssigkeit der dunklen Materie unter ihrer eigenen Schwerkraft entwickelt hätte, was zur Bildung kleiner Konzentrationen führte, die als „Halos der dunklen Materie“ bekannt sind. Es wird angenommen, dass sich innerhalb dieser Halos - einer theoretischen Komponente, von der angenommen wird, dass sie weit über die sichtbare Ausdehnung einer Galaxie hinausreicht - Galaxien wie die Milchstraße gebildet haben.
Dies war natürlich eine ziemliche Herausforderung. Es erforderte nicht nur eine genaue Berechnung der Entwicklung der Struktur der Dunklen Materie, sondern auch die Überlegung, wie dies jeden anderen Teil des Universums beeinflussen würde. Joachim Stadel, Professor am Zentrum für Theoretische Astrophysik und Kosmologie der UZH und Mitautor des Papiers, sagte dem Space Magazine per E-Mail:
„Wir haben 2 Billionen solcher„ Stücke “aus dunkler Materie simuliert, die größte Berechnung dieses Typs, die jemals durchgeführt wurde. Dazu mussten wir eine Berechnungstechnik verwenden, die als „schnelle Multipolmethode“ bekannt ist, und einen der schnellsten Computer der Welt, „Piz Daint“, im Schweizerischen Supercomputing-Zentrum verwenden, der unter anderem über sehr schnelle Grafikprozessoren verfügt (GPUs), die eine enorme Beschleunigung der in der Simulation benötigten Gleitkommaberechnungen ermöglichen. Die dunkle Materie gruppiert sich zu „Halos“ der dunklen Materie, die wiederum die Galaxien beherbergen. Unsere Berechnung liefert genau die Verteilung und Eigenschaften der dunklen Materie, einschließlich der Halos, aber die Galaxien mit all ihren Eigenschaften müssen mithilfe eines Modells in diesen Halos platziert werden. Dieser Teil der Aufgabe wurde von unseren Kollegen in Barcelona unter der Leitung von Pablo Fossalba und Francisco Castander durchgeführt. Diese Galaxien haben dann die erwarteten Farben, die räumliche Verteilung und die Emissionslinien (wichtig für die von Euklid beobachteten Spektren) und können zum Testen und Kalibrieren verschiedener Systematiken und zufälliger Fehler innerhalb der gesamten Instrumentenpipeline von Euklid verwendet werden. “
Dank der hohen Präzision ihrer Berechnungen konnte das Team einen Katalog erstellen, der die Anforderungen der Euklid-Mission der Europäischen Weltraumorganisation erfüllt, deren Hauptziel die Erforschung des „dunklen Universums“ ist. Diese Art der Forschung ist wichtig, um das Universum auf der größten Skala zu verstehen, hauptsächlich weil die überwiegende Mehrheit des Universums dunkel ist.
Zwischen den 23% des Universums, das aus dunkler Materie besteht, und den 72%, die aus dunkler Energie bestehen, besteht nur ein Zwanzigstel des Universums aus Materie, die wir mit normalen Instrumenten sehen können (auch bekannt als „leuchtend“). oder baryonische Materie). Obwohl sie in den 1960er und 1990er Jahren vorgeschlagen wurden, bleiben dunkle Materie und dunkle Energie zwei der größten kosmologischen Geheimnisse.
Da ihre Existenz erforderlich ist, damit unsere aktuellen kosmologischen Modelle funktionieren, wurde ihre Existenz bisher nur durch indirekte Beobachtung abgeleitet. Genau dies wird die Euklid-Mission im Verlauf ihrer sechsjährigen Mission tun, die darin besteht, Licht von Milliarden von Galaxien einzufangen und es auf subtile Verzerrungen zu messen, die durch das Vorhandensein von Masse im Vordergrund verursacht werden.
Ähnlich wie die Messung des Hintergrundlichts durch das Vorhandensein eines Gravitationsfeldes zwischen ihm und dem Beobachter verzerrt werden kann (d. H. Ein bewährter Test für die Allgemeine Relativitätstheorie), übt das Vorhandensein dunkler Materie einen Gravitationseinfluss auf das Licht aus. Wie Stadel erklärte, wird ihr simuliertes Universum eine wichtige Rolle in dieser euklidischen Mission spielen - es wird einen Rahmen bieten, der während und nach der Mission verwendet wird.
"Um vorherzusagen, wie gut die aktuellen Komponenten eine bestimmte Messung durchführen können, muss ein Universum geschaffen werden, das mit Galaxien bevölkert ist, die dem real beobachteten Universum so nahe wie möglich kommen", sagte er. „Dieser 'Schein'-Katalog von Galaxien wurde aus der Simulation generiert und wird nun auf diese Weise verwendet. In Zukunft, wenn Euclid mit der Datenerfassung beginnt, müssen wir jedoch auch solche Simulationen verwenden, um das inverse Problem zu lösen. Wir müssen dann in der Lage sein, das beobachtete Universum zu nehmen und die grundlegenden Parameter der Kosmologie zu bestimmen; Eine Verbindung, die derzeit nur durch große Simulationen wie die gerade durchgeführte mit ausreichender Genauigkeit hergestellt werden kann. Dies ist ein zweiter wichtiger Aspekt der Funktionsweise solcher Simulationen [und] für die Euklid-Mission. “
Aus den euklidischen Daten hoffen die Forscher, neue Informationen über die Natur der Dunklen Materie zu erhalten, aber auch neue Physik zu entdecken, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgeht - d. H. Eine modifizierte Version der allgemeinen Relativitätstheorie oder einen neuen Teilchentyp. Wie Stadel erklärte, wäre das beste Ergebnis für die Mission eines, bei dem die Ergebnisse stimmen nicht den Erwartungen entsprechen.
„Während es sicherlich die genauesten Messungen grundlegender kosmologischer Parameter (wie der Menge an dunkler Materie und Energie im Universum) ermöglichen wird, wäre es weitaus aufregender, etwas zu messen, das in Konflikt steht oder zumindest im Spannungsfeld mit dem steht aktuelles 'Standard-Lambda-Modell für kalte dunkle Materie' (LCDM) “, sagte er. „Eine der größten Fragen ist, ob die sogenannte‚ dunkle Energie 'dieses Modells tatsächlich eine Energieform ist oder ob sie durch eine Modifikation von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie korrekter beschrieben wird. Während wir vielleicht gerade erst anfangen, die Oberfläche solcher Fragen zu kratzen, sind sie sehr wichtig und haben das Potenzial, die Physik auf einer sehr grundlegenden Ebene zu verändern. “
Stadel und seine Kollegen hoffen, in Zukunft Simulationen zur kosmischen Evolution durchführen zu können, die beide dunklen Materien berücksichtigen und dunkle Energie. Eines Tages könnten diese exotischen Aspekte der Natur die Säulen einer neuen Kosmologie bilden, die über die Physik des Standardmodells hinausgeht. In der Zwischenzeit werden Astrophysiker aus der ganzen Welt wahrscheinlich mit angehaltenem Atem auf die ersten Ergebnisse der Euklid-Mission warten.
Euklid ist eine von mehreren Missionen, die sich derzeit mit der Jagd nach dunkler Materie und der Untersuchung der Gestaltung unseres Universums befassen. Andere sind das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) -Experiment an Bord der ISS, die Kilo Degree Survey (KiDS) der ESO und der Large Hardon Collider des CERN. Mit etwas Glück werden diese Experimente Teile des kosmologischen Puzzles enthüllen, die seit Jahrzehnten schwer fassbar sind.
