Forskare från universitetet i Zürich har simulerat bildandet av hela vårt universum med en stor superdator. En gigantisk katalog med cirka 25 miljarder virtuella galaxer har skapats från 2 biljoner digitala partiklar. Denna katalog används för att kalibrera experimenten ombord på Euclid-satelliten, som kommer att lanseras 2020 med målet att undersöka naturen hos mörk materia och mörk energi.

Under en period av tre år, en grupp astrofysiker från universitetet i Zürich har utvecklat och optimerat en revolutionerande kod för att med oöverträffad noggrannhet beskriva dynamiken hos mörk materia och bildandet av storskaliga strukturer i universum. Som Joachim Stadel, Douglas Potter och Romain Teyssier rapporterar i sin nyligen publicerade tidning, koden (kallad PKDGRAV3) har designats för att optimalt använda det tillgängliga minnet och processorkraften hos moderna superdatorarkitekturer, såsom superdatorn "Piz Daint" från Swiss National Computing Center (CSCS). Koden kördes på denna världsledande maskin i endast 80 timmar, och genererade ett virtuellt universum på två biljoner (dvs. två tusen miljarder eller 2 x 1012) makropartiklar som representerar vätskan av mörk materia, från vilken en katalog med 25 miljarder virtuella galaxer extraherades.

Studerar sammansättningen av det mörka universum

Tack vare den höga precisionen i deras beräkningar, med en vätska av mörk materia som utvecklas under sin egen gravitation, forskarna har simulerat bildandet av små koncentrationer av materia, kallas mörk materia halos, där vi tror att galaxer som Vintergatan bildar. Utmaningen med denna simulering var att modellera galaxer så små som en tiondel av Vintergatan, i en volym lika stor som hela vårt observerbara universum. Detta var kravet som ställdes av det europeiska Euklid-uppdraget, vars huvudmål är att utforska den mörka sidan av universum.

Mäter subtila förvrängningar

Verkligen, cirka 95 procent av universum är mörkt. Kosmos består av 23 procent av mörk materia och 72 procent av mörk energi. "Mörk energis natur är fortfarande ett av de viktigaste olösta pusslen inom modern vetenskap, säger Romain Teyssier, UZH professor för beräkningsastrofysik. Ett pussel som bara kan knäckas genom indirekt observation:När Euklid-satelliten kommer att fånga ljuset från miljarder galaxer på stora delar av himlen, astronomer kommer att mäta mycket subtila förvrängningar som uppstår från avböjningen av ljuset från dessa bakgrundsgalaxer av en förgrund, osynlig fördelning av massa – mörk materia. "Detta är jämförbart med förvrängningen av ljus av en något ojämn glasruta, säger Joachim Stadel från Institute for Computational Science vid UZH.

Optimering av observationsstrategier för satelliten

Denna nya virtuella galaxkatalog kommer att hjälpa till att optimera observationsstrategin för Euklid-experimentet och minimera olika felkällor, innan satelliten ger sig ut på sitt sexåriga datainsamlingsuppdrag 2020. "Euclid kommer att utföra en tomografisk karta över vårt universum, spåra tillbaka i tiden mer än 10 miljarder år av evolution i kosmos, " säger Stadel. Från Euklids data, forskare kommer att få ny information om naturen hos denna mystiska mörka energi, men hoppas också att upptäcka ny fysik utöver standardmodellen, såsom en modifierad version av allmän relativitetsteori eller en ny typ av partikel.