Wirtualna symulacja Wszechświata – w poszukiwaniu ciemnej energii
Badacze z Uniwersytetu w Zurychu za pomocą potężnego superkomputera wykonali symulację formowania się całego Wszechświata. Gigantyczny katalog zawiera około 25 miliardów wirtualnych galaktyk i został wygenerowany z dwóch bilionów elementów. Umożliwia on przygotowanie eksperymentów, które będą przeprowadzane na pokładzie satelity Euclid. Satelita wystartuje w 2020 roku, a jej zadaniem będzie wgłębianie się w naturę ciemnej materii i ciemnej energii.
Przez ostatnie trzy lata grupa astrofizyków z Uniwersytetu w Zurychu rozwijała i optymalizowała wyjątkowy kod. Posłużyć miał on do opisania, z niespotykaną dotąd dokładnością, dynamiki ciemnej materii i ukształtowania wielkoformatowych struktur we Wszechświecie. Kod nosi nazwę PKDGRAV3.
Jak w niedawno opublikowanym artykule piszą Joachim Stadel, Douglas Potter i Romain Teyssier, został przygotowany tak, by w optymalny sposób wykorzystywać dostępną pamięć i moc procesorów nowoczesnych superkomputerów, takich jak Piz Daint, superkomputer Szwajcarskiego Naukowego Centrum Obliczeniowego (Centro Svizzero di Calcolo Scientifico, CSCS, ang. Swiss National Supercomputing Centre).
Kod był wykonywany na tym światowej klasy urządzeniu tylko przez 80 godzin i w tym czasie wygenerował wirtualny Wszechświat dwóch bilionów makrocząstek, reprezentujących ciemną materię, z których wyodrębniono 25 miliardów wirtualnych galaktyk.
Budowa ciemnego Wszechświata
Dzięki bardzo precyzyjnym obliczeniom badacze dokonali symulacji formowania się halo ciemnej materii, czyli niewidocznej materii o bardzo małym stężeniu, otaczającej spiralne galaktyki. Ma ona, jak się przypuszcza, duży udział w formowaniu się galaktyk takich jak Droga Mleczna.
Zadaniem, które postawiono symulacji, było modelowanie galaktyk o wielkości 1/10 Drogi Mlecznej na obszarze o takiej wielkości jak cały obserwowalny Wszechświat. Takie wymagania postawiła przed badaczami organizacja misji Euclid (przygotowywanej przez Europejską Agencję Kosmiczną), której zasadniczym zadaniem jest poznanie ciemnej strony naszego Wszechświata.
Subtelne zniekształcenia
Około 95 proc. Wszechświata jest „ciemna”: 23 proc. stanowi ciemna materia, a 72 proc. – ciemna energia.
– Natura ciemnej energii pozostaje jedną z najważniejszych nierozwiązanych zagadek współczesnej nauki – mówi Romain Teyssier, profesor astrofizyki obserwacyjnej na Uniwersytecie w Zurychu.
Rozwikłanie takiej zagadki możliwe jest tylko przez pośrednią obserwację. Satelita Euclid będzie rejestrować światło miliardów galaktyk na potężnym obszarze nieba. W tym, co będzie obserwowane, badacze będą poszukiwać bardzo subtelnych zniekształceń, odchyleń światła widocznej części galaktyk, powodowanych przez ciemną materię, czyli niewidzialną przyczynę rozmieszczenia masy galaktyki.
– Można to porównać do zniekształcenia światła, którego przyczyną są nierówności na szybie – wyjaśnia Joachim Stadel z Institute of Computational Science Uniwersytetu w Zurychu.
Optymalizacja strategii obserwacyjnych satelity
Ten nowy katalog wirtualnych galaktyk pomoże optymalizować strategie obserwacyjne Euclid i zminimalizować różne źródła błędów zanim w 2020 roku satelita rozpocznie swoją sześcioletnią misję.
– Euclid stworzy tomograficzną mapę naszego Wszechświata, zwracając się w przeszłość i śledząc ponad 10 miliardów lat zmian w kosmosie – mówi Stadel.
Nadzieje związane z misją i jej cele są niezwykle ambitne. Z danych zdobytych przez Euclid badacze chcą uzyskać nowe informacje o naturze owej tajemniczej ciemnej energii, ale liczą też, że na odkrycie „nowej fizyki”, przekraczającej jej dzisiejszy model – na przykład zmodyfikowanej wersji ogólnej teorii względności albo nowego typu cząstek.
Misję Europejskiej Agencji Kosmicznej przygotowują setki naukowców z czternastu europejskich krajów (Austrii, Belgii, Danii, Finlandii, Francji, Hiszpanii, Holandii, Niemiec, Norwegii, Portugalii, Rumunii, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii i Włoch). Swój udział mają także Stany Zjednoczone i Kanada.
Badania zostały opisane w publikacji: Douglas Potter, Joachim Stadel, Romain Teysseir: PKDGRAV3: Beyond Trillion Particle Cosmological Simulation of the Next Era of Galaxy Surveys. „Computational Astrophysics and Cosmology” 18 May 2017. doi: 10.1186/s40668-017-0021-1
Źródło: artykuł The largest virtual Universe ever simulated ze strony Uniwersytetu w Zurychu.
