Het universum begrijpen en hoe het zich in de loop van miljarden jaren heeft ontwikkeld, is een nogal ontmoedigende taak. Enerzijds gaat het erom nauwgezet miljarden lichtjaren in de diepe ruimte (en dus miljarden jaren terug in de tijd) te kijken om te zien hoe de grootschalige structuur ervan in de loop van de tijd is veranderd. Vervolgens zijn enorme hoeveelheden rekenkracht nodig om te simuleren hoe het eruit zou moeten zien (op basis van bekende fysica) en om te zien of ze overeenkomen.
Dat is wat een team van astrofysici van de Universiteit van Zürich (UZH) heeft gedaan met de "Piz Daint" -supercomputer. Met deze geavanceerde machine simuleerden ze de vorming van ons hele universum en produceerden ze een catalogus van ongeveer 25 miljard virtuele sterrenstelsels. Deze catalogus wordt gelanceerd aan boord van de ESA-missie Euclid in 2020, die zes jaar lang het heelal zal onderzoeken om donkere materie te onderzoeken.
Het werk van het team werd gedetailleerd beschreven in een onderzoek dat onlangs in het tijdschrift verscheen Computationele astrofysica en kosmologie. Onder leiding van Douglas Potter heeft het team de afgelopen drie jaar een geoptimaliseerde code ontwikkeld om (met ongekende nauwkeurigheid) de dynamiek van donkere materie te beschrijven, evenals de vorming van grootschalige structuren in het heelal.
De code, bekend als PKDGRAV3, is speciaal ontworpen om optimaal gebruik te maken van het beschikbare geheugen en de verwerkingskracht van moderne supercomputerarchitecturen. Na te zijn uitgevoerd op de "Piz Daint" -supercomputer - gevestigd in het Swiss National Computing Center (CSCS) - voor een periode van slechts 80 uur, slaagde het erin een virtueel universum van twee biljoen macro-deeltjes te genereren, waaruit een catalogus van 25 miljard virtuele sterrenstelsels werden gewonnen.
Intrinsiek aan hun berekeningen was de manier waarop vloeistof van donkere materie onder zijn eigen zwaartekracht zou zijn geëvolueerd, wat leidde tot de vorming van kleine concentraties die bekend staan als "donkere materie-halo's". Het is binnen deze halo's - een theoretische component waarvan wordt aangenomen dat ze ver voorbij de zichtbare omvang van een sterrenstelsel reiken - waarvan wordt aangenomen dat sterrenstelsels zoals de Melkweg zijn gevormd.
Dit was natuurlijk een behoorlijke uitdaging. Het vereiste niet alleen een nauwkeurige berekening van hoe de structuur van donkere materie evolueert, maar vereiste ook dat ze bedachten hoe dit elk ander deel van het universum zou beïnvloeden. Zoals Joachim Stadel, een professor bij het Centrum voor Theoretische Astrofysica en Kosmologie aan de UZH en een coauteur op papier, vertelde Space Magazine via e-mail:
"We hebben 2 biljoen van dergelijke donkere materie" stukken "gesimuleerd, de grootste berekening van dit type die ooit is uitgevoerd. Om dit te doen, moesten we een berekeningstechniek gebruiken die bekend staat als de "snelle multipoolmethode" en een van de snelste computers ter wereld gebruiken, "Piz Daint" bij het Swiss National Supercomputing Center, dat onder andere zeer snelle grafische verwerkingseenheden heeft (GPU's) die een enorme versnelling mogelijk maken van de drijvende-kommaberekeningen die nodig zijn in de simulatie. De donkere materie clustert in donkere materie "halo's" die op hun beurt de sterrenstelsels herbergen. Onze berekening produceert nauwkeurig de verdeling en eigenschappen van de donkere materie, inclusief de halo's, maar de sterrenstelsels, met al hun eigenschappen, moeten met een model in deze halo's worden geplaatst. Dit deel van de taak werd uitgevoerd door onze collega's in Barcelona onder leiding van Pablo Fossalba en Francisco Castander. Deze sterrenstelsels hebben dan de verwachte kleuren, ruimtelijke spreiding en de emissielijnen (belangrijk voor de spectra waargenomen door Euclid) en kunnen worden gebruikt om verschillende systematiek en willekeurige fouten binnen de hele instrumentpijplijn van Euclid te testen en te kalibreren. ”
Dankzij de hoge precisie van hun berekeningen kon het team een catalogus maken die voldeed aan de eisen van de Euclid-missie van de European Space Agency, met als belangrijkste doel het verkennen van het 'donkere universum'. Dit soort onderzoek is essentieel om het universum op de grootste schaal te begrijpen, vooral omdat de overgrote meerderheid van het universum donker is.
Tussen de 23% van het heelal dat bestaat uit donkere materie en de 72% die bestaat uit donkere energie, bestaat slechts een twintigste van het heelal uit materie die we kunnen zien met normale instrumenten (ook bekend als "lichtgevend") of baryonische materie). Ondanks dat ze in de jaren zestig en negentig werden voorgesteld, blijven donkere materie en donkere energie twee van de grootste kosmologische mysteries.
Aangezien hun bestaan vereist is om onze huidige kosmologische modellen te laten werken, is hun bestaan alleen maar afgeleid door indirecte observatie. Dit is precies wat de Euclid-missie zal doen in de loop van haar zesjarige missie, die erin zal bestaan licht van miljarden sterrenstelsels op te vangen en te meten voor subtiele vervormingen veroorzaakt door de aanwezigheid van massa op de voorgrond.
Net zoals het meten van achtergrondlicht kan worden vervormd door de aanwezigheid van een zwaartekrachtveld tussen het licht en de waarnemer (dat wil zeggen een aloude test voor algemene relativiteitstheorie), zal de aanwezigheid van donkere materie een zwaartekrachtsinvloed op het licht uitoefenen. Zoals Stadel uitlegde, zal hun gesimuleerde universum een belangrijke rol spelen in deze Euclid-missie - een kader bieden dat tijdens en na de missie zal worden gebruikt.
"Om te voorspellen hoe goed de huidige componenten in staat zullen zijn om een bepaalde meting uit te voeren, moet er een heelal ontstaan met sterrenstelsels zo dicht mogelijk bij het werkelijk waargenomen heelal", zei hij. "Deze‘ mock ’catalogus van sterrenstelsels is wat is voortgekomen uit de simulatie en zal nu op deze manier worden gebruikt. In de toekomst, wanneer Euclid echter gegevens begint te verzamelen, zullen we ook dergelijke simulaties moeten gebruiken om het omgekeerde probleem op te lossen. We zullen dan het waargenomen heelal moeten kunnen nemen en de fundamentele parameters van de kosmologie moeten bepalen; een verbinding die op dit moment alleen met voldoende precisie kan worden gemaakt door grote simulaties zoals die we zojuist hebben uitgevoerd. Dit is een tweede belangrijk aspect van hoe dergelijke simulatie werkt [en] staat centraal in de Euclid-missie. ”
Uit de Euclid-gegevens hopen onderzoekers nieuwe informatie te verkrijgen over de aard van donkere materie, maar ook om nieuwe fysica te ontdekken die verder gaat dan het standaardmodel van deeltjesfysica - d.w.z. een gewijzigde versie van algemene relativiteitstheorie of een nieuw type deeltje. Zoals Stadel uitlegde, zou het beste resultaat voor de missie er een zijn waarin de resultaten dat doen niet voldoen aan de verwachtingen.
“Hoewel het zeker de meest nauwkeurige metingen van fundamentele kosmologische parameters (zoals de hoeveelheid donkere materie en energie in het heelal) zal maken, zou het veel opwindender zijn om iets te meten dat in strijd is met of op zijn minst in spanning staat met de het huidige 'standaard lambda koude donkere stof'-model (LCDM)', zei hij. "Een van de grootste vragen is of de zogenaamde" donkere energie "van dit model eigenlijk een vorm van energie is, of dat het correcter wordt beschreven door een wijziging van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Hoewel we misschien net beginnen met het bedekken van dergelijke vragen, zijn ze erg belangrijk en hebben ze het potentieel om de fysica op een zeer fundamenteel niveau te veranderen. '
In de toekomst hopen Stadel en zijn collega's simulaties uit te voeren over kosmische evolutie die rekening houden met beide donkere materie en donkere energie. Op een dag zouden deze exotische aspecten van de natuur de pijlers kunnen vormen van een nieuwe kosmologie, die verder reikt dan de fysica van het standaardmodel. In de tussentijd zullen astrofysici van over de hele wereld waarschijnlijk met ingehouden adem wachten op de eerste reeks resultaten van de Euclid-missie.
Euclid is een van de vele missies die momenteel bezig zijn met de jacht op donkere materie en de studie van hoe dit ons universum heeft gevormd. Anderen zijn onder meer het Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) -experiment aan boord van het ISS, de ESO's Kilo Degree Survey (KiDS) en CERN's Large Hardon Collider. Met een beetje geluk zullen deze experimenten stukjes onthullen van de kosmologische puzzel die decennialang ongrijpbaar zijn gebleven.
