การทำความเข้าใจจักรวาลและการพัฒนาในช่วงพันล้านปีเป็นภารกิจที่ค่อนข้างน่ากลัว ในอีกด้านหนึ่งมันเกี่ยวข้องกับการมองอย่างระมัดระวังเป็นพันล้านปีแสงเข้าไปในห้วงอวกาศ (และหลายพันล้านปีย้อนหลัง) เพื่อดูว่าโครงสร้างขนาดใหญ่ของมันเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาอย่างไร จากนั้นต้องใช้พลังการคำนวณจำนวนมากเพื่อจำลองสิ่งที่ควรมีลักษณะ (ขึ้นอยู่กับฟิสิกส์ที่รู้จัก) และดูว่ามันตรงกันหรือไม่
นั่นคือสิ่งที่ทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยซูริค (UZH) ใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์“ Piz Daint” ด้วยเครื่องจักรอันซับซ้อนนี้พวกเขาจำลองการก่อตัวของจักรวาลทั้งหมดของเราและสร้างแคตตาล็อกกาแลคซีเสมือนจริงประมาณ 25 พันล้านแห่ง แคตตาล็อกนี้จะเปิดตัวในภารกิจ Euclid ของ ESA ในปี 2020 ซึ่งจะใช้เวลาหกปีในการสำรวจจักรวาลเพื่อตรวจสอบสสารมืด
งานของทีมมีรายละเอียดในการศึกษาที่ปรากฏในวารสาร ดาราศาสตร์ฟิสิกส์และจักรวาลวิทยาเชิงคำนวณ. นำโดยดักลาสพอตเตอร์ทีมใช้เวลาสามปีที่ผ่านมาพัฒนารหัสที่เหมาะสมเพื่ออธิบาย (ด้วยความแม่นยำอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน) พลวัตของสสารมืดเช่นเดียวกับการก่อตัวของโครงสร้างขนาดใหญ่ในจักรวาล
รหัสที่รู้จักกันในชื่อ PKDGRAV3 ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อใช้หน่วยความจำและพลังการประมวลผลที่เหมาะสมที่สุดของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ยุคใหม่ หลังจากถูกประหารชีวิตในซูเปอร์คอมพิวเตอร์“ Piz Daint” ซึ่งตั้งอยู่ที่ศูนย์คอมพิวเตอร์แห่งชาติสวิส (CSCS) เป็นระยะเวลาเพียง 80 ชั่วโมงก็สามารถสร้างเอกภพเสมือนจริงที่มีอนุภาคขนาดมหึมาสองล้านล้านตัว กาแลคซีเสมือนพันล้านถูกดึงออกมา
การคำนวณที่แท้จริงคือวิธีที่ของเหลวสสารมืดจะมีวิวัฒนาการภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันเองซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของความเข้มข้นขนาดเล็กที่เรียกว่า "สสารมืดรัศมี" มันอยู่ในรัศมีเหล่านี้ - องค์ประกอบทางทฤษฎีที่คิดว่าจะขยายได้ดีเกินกว่าขอบเขตที่มองเห็นได้ของกาแลคซี - กาแลคซีอย่างทางช้างเผือกเชื่อว่าจะก่อตัวขึ้น
ตามธรรมชาติแล้วสิ่งนี้แสดงถึงความท้าทาย มันไม่เพียง แต่ต้องคำนวณอย่างแม่นยำว่าโครงสร้างของสสารมืดนั้นมีวิวัฒนาการมาอย่างไร แต่พวกเขายังต้องพิจารณาด้วยว่าสิ่งนี้จะมีผลต่อส่วนอื่น ๆ ของจักรวาลอย่างไร ในฐานะที่เป็นโจอาคิมสตาเดลศาสตราจารย์กับศูนย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีและจักรวาลวิทยาที่ UZH และผู้ร่วมเขียนบนกระดาษให้บอกนิตยสารอวกาศผ่านอีเมล:
“ เราจำลอง“ ชิ้นส่วน” สสารมืดจำนวน 2 ล้านล้านชิ้นซึ่งเป็นการคำนวณที่ใหญ่ที่สุดของประเภทนี้ที่เคยทำมา ในการทำเช่นนี้เราต้องใช้เทคนิคการคำนวณที่รู้จักกันในชื่อ“ วิธีการทวีคูณอย่างรวดเร็ว” และใช้หนึ่งในคอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลก“ Piz Daint” ที่ Swiss National Supercomputing Center ซึ่งเหนือสิ่งอื่นใดมีหน่วยประมวลผลกราฟิกที่รวดเร็วมาก (GPU) ซึ่งช่วยให้สามารถคำนวณจุดลอยตัวได้อย่างรวดเร็วในการจำลอง สสารมืดนั้นรวมตัวกันเป็นสสารมืดที่เรียกว่า "รัศมี" ซึ่งจะทำให้เกิดกาแล็กซี การคำนวณของเราสร้างการกระจายและคุณสมบัติของสสารมืดอย่างถูกต้องรวมถึงรัศมี แต่กาแลคซีที่มีคุณสมบัติทั้งหมดจะต้องอยู่ในรัศมีเหล่านี้โดยใช้แบบจำลอง งานนี้ดำเนินการโดยเพื่อนร่วมงานของเราที่บาร์เซโลนาภายใต้การดูแลของ Pablo Fossalba และ Francisco Castander กาแลคซีเหล่านี้มีสีที่คาดหวังการกระจายเชิงพื้นที่และสายการปล่อย (สำคัญสำหรับสเปกตรัมที่สังเกตโดย Euclid) และสามารถใช้ในการทดสอบและปรับเทียบระบบต่างๆและข้อผิดพลาดแบบสุ่มภายในท่อส่งเครื่องมือทั้งหมดของ Euclid”
ด้วยความแม่นยำสูงของการคำนวณของพวกเขาทีมสามารถเปิดแคตตาล็อกที่ตรงตามข้อกำหนดของภารกิจ Euclid ขององค์การอวกาศยุโรปซึ่งมีวัตถุประสงค์หลักคือการสำรวจ“ จักรวาลมืด” การวิจัยประเภทนี้มีความสำคัญต่อการเข้าใจจักรวาลในระดับที่ใหญ่ที่สุดเนื่องจากส่วนใหญ่ของจักรวาลมืด
ระหว่าง 23% ของจักรวาลซึ่งประกอบด้วยสสารมืดและ 72% ที่ประกอบด้วยพลังงานมืดมีเพียงหนึ่งในยี่สิบของเอกภพที่สร้างขึ้นจากสสารที่เราสามารถเห็นได้ด้วยเครื่องมือธรรมดา (aka“ ส่องสว่าง”) หรือสสารแบริออน) แม้จะถูกเสนอในช่วงปี 1960 และ 1990 ตามลำดับสสารมืดและพลังงานมืดยังคงเป็นปริศนาทางดาราศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดสองข้อ
เนื่องจากการดำรงอยู่ของพวกมันเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แบบจำลองดาราศาสตร์ในปัจจุบันของเราทำงานการดำรงอยู่ของพวกมันจึงถูกสรุปโดยการสังเกตทางอ้อมเท่านั้น นี่คือสิ่งที่ภารกิจยูคลิดจะทำในช่วงเวลาหกปีของภารกิจซึ่งจะประกอบไปด้วยการตรวจจับแสงจากกาแลคซีหลายพันล้านแห่งและวัดมันสำหรับการบิดเบี้ยวเล็กน้อยที่เกิดจากการปรากฏตัวของมวลในเบื้องหน้า
ในลักษณะเดียวกับที่การวัดแสงพื้นหลังสามารถบิดเบือนได้โดยการปรากฏตัวของสนามแรงโน้มถ่วงระหว่างมันกับผู้สังเกตการณ์ (เช่นการทดสอบตามเวลาที่กำหนดสำหรับสัมพัทธภาพทั่วไป) การปรากฏตัวของสสารมืดจะออกแรงโน้มถ่วงต่อแสง ดังที่ Stadel อธิบายจักรวาลจำลองของพวกเขาจะมีบทบาทสำคัญในภารกิจยูคลิดนี้ - เป็นกรอบที่จะใช้ระหว่างและหลังภารกิจ
“ เพื่อที่จะคาดการณ์ว่าส่วนประกอบในปัจจุบันจะสามารถทำการวัดได้ดีเพียงใดจักรวาลที่มีกาแลคซีที่อยู่ใกล้ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จะต้องสร้างเอกภพที่สังเกตได้” เขากล่าว “ แคตตาล็อกกาแล็กซี This จำลองนี้เป็นสิ่งที่สร้างขึ้นจากการจำลองและตอนนี้จะถูกใช้ในลักษณะนี้ อย่างไรก็ตามในอนาคตเมื่อ Euclid เริ่มรับข้อมูลเราจะต้องใช้แบบจำลองเช่นนี้เพื่อแก้ปัญหาผกผัน จากนั้นเราจะต้องสามารถใช้เอกภพที่สังเกตได้และกำหนดพารามิเตอร์พื้นฐานของจักรวาลวิทยา การเชื่อมต่อซึ่งในปัจจุบันสามารถทำได้ที่ความแม่นยำเพียงพอโดยการจำลองขนาดใหญ่เช่นเดียวกับที่เราเพิ่งดำเนินการ นี่เป็นแง่มุมที่สำคัญที่สองของการจำลองสถานการณ์ [และ] เป็นศูนย์กลางของภารกิจยุคลิด”
จากข้อมูลของ Euclid นักวิจัยหวังว่าจะได้รับข้อมูลใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืด แต่ยังค้นพบฟิสิกส์ใหม่ที่นอกเหนือไปจากแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค - เช่นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ได้รับการดัดแปลงหรืออนุภาคชนิดใหม่ ดังที่ Stadel อธิบายผลลัพธ์ที่ดีที่สุดสำหรับภารกิจจะเป็นสิ่งที่ผลลัพธ์ทำได้ ไม่ สอดคล้องกับความคาดหวัง
“ ในขณะที่มันจะทำการวัดค่าพารามิเตอร์ทางดาราศาสตร์ขั้นพื้นฐานที่แม่นยำที่สุด (เช่นปริมาณของสสารมืดและพลังงานในจักรวาล) ที่น่าตื่นเต้นกว่านั้นคือการวัดสิ่งที่ขัดแย้งหรืออย่างน้อยที่สุดก็ตึงเครียดกับ ปัจจุบัน 'แลมบ์ดาสสารมืดเย็นมาตรฐาน' (LCDM) รุ่นปัจจุบัน "เขากล่าว “ หนึ่งในคำถามที่ใหญ่ที่สุดคือว่า 'พลังงานมืด' ของแบบจำลองนี้จริง ๆ แล้วเป็นรูปแบบของพลังงานหรือไม่หรืออธิบายได้อย่างถูกต้องมากขึ้นโดยการดัดแปลงทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ในขณะที่เราอาจเริ่มเกาพื้นผิวของคำถามดังกล่าวพวกเขามีความสำคัญมากและมีศักยภาพในการเปลี่ยนฟิสิกส์ในระดับพื้นฐานมาก "
ในอนาคต Stadel และเพื่อนร่วมงานของเขาหวังว่าจะสามารถจำลองสถานการณ์วิวัฒนาการของจักรวาลที่คำนึงถึงสสารมืดทั้งสอง และ พลังงานมืด สักวันหนึ่งมุมมองที่แปลกใหม่ของธรรมชาติเหล่านี้สามารถสร้างเสาหลักของจักรวาลวิทยาใหม่ซึ่งอยู่เหนือกว่าฟิสิกส์ของแบบจำลองมาตรฐาน ในขณะเดียวกันนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากทั่วโลกน่าจะรอผลการทดลองชุดแรกจากภารกิจยูคลิดด้วยการเป่าลมหายใจ
Euclid เป็นหนึ่งในหลาย ๆ ภารกิจที่กำลังมีส่วนร่วมในการตามล่าหาสสารมืดและการศึกษาว่ามันหล่อหลอมจักรวาลของเราอย่างไร อื่น ๆ ได้แก่ การทดลอง Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) บนสถานีอวกาศนานาชาติ, Kilo Degree Survey (KiDS) ของ ESO, และ Hardon Collider ขนาดใหญ่ของ CERN ด้วยความโชคดีการทดลองเหล่านี้จะเผยให้เห็นชิ้นส่วนของปริศนาจักรวาลที่ยังคงเข้าใจยากมานานหลายทศวรรษ
