הבנת היקום וכיצד הוא התפתח במשך מיליארדי שנים זו משימה מפחידה למדי. מצד אחד זה כרוך בהסתכלות מדוקדקת על מיליארדי שנות אור לחלל עמוק (וכך, מיליארדי שנים אחורה בזמן) כדי לראות כיצד המבנה בקנה מידה הגדול שלו השתנה עם הזמן. ואז, דרושות כמויות אדירות של כוח מחשוב כדי לדמות איך הוא אמור להיראות (מבוסס על פיזיקה ידועה) ולראות אם הן מתאימות זו לזו.
זה מה שצוות של אסטרופיסיקאים מאוניברסיטת ציריך (UZH) עשה באמצעות מחשב העל "פיז דaint". בעזרת מכונה משוכללת זו הם הדמו את היווצרות היקום כולו שלנו והפיקו קטלוג של כ- 25 מיליארד גלקסיות וירטואליות. קטלוג זה יושק על סיפונה של משימת האוקליד של ESA בשנת 2020, שתקדיש שש שנים לחקור את היקום לצורך חקירת חומר אפל.
עבודת הצוות פורטה במחקר שהופיע בחוזקה ביומן אסטרופיסיקה חישובית וקוסמולוגיה. בראשותו של דגלאס פוטר, הצוות בילה את שלוש השנים האחרונות בפיתוח קוד מותאם לתיאור (ברמת דיוק חסר תקדים) את הדינמיקה של החומר האפל כמו גם היווצרות מבנים בקנה מידה גדול ביקום.
הקוד, המכונה PKDGRAV3, תוכנן במיוחד כדי להשתמש באופן אופטימלי בזיכרון ובעוצמת העיבוד הזמינים של ארכיטקטורות סופר-מחשוב מודרניות. לאחר שהוצא להורג במחשב העל "פיז דנט" - שנמצא במרכז המחשוב הלאומי השוויצרי (CSCS) - במשך תקופה של 80 שעות בלבד, הוא הצליח לייצר יקום וירטואלי של שני טריליון חלקיקי מאקרו, שממנו קטלוג של 25 מיליוני גלקסיות וירטואליות חולצו.
מה שקשור לחישוביהם היה האופן בו נוזל החומר האפל היה מתפתח תחת כוח הכובד שלו, ובכך מוביל להיווצרות ריכוזים קטנים המכונים "הילות חומר אפל". בתוך ההילות הללו - מרכיב תיאורטי שנחשב להרחיב הרבה מעבר להיקף הגלקסיה הגלקסית - מאמינים כי גלקסיות כמו שביל החלב נוצרו.
מטבע הדברים, זה הציג את האתגר למדי. זה נדרש לא רק חישוב מדויק של אופן ההתפתחות של מבנה החומר האפל, אלא גם דרוש מהם לשקול כיצד זה ישפיע על כל חלק אחר ביקום. כפי שאמר יואכים שטדל, פרופסור במרכז לאסטרופיזיקה וקוסמולוגיה תיאורטית ב- UZH וסופר משותף בעיתון, אמר למגזין Space באמצעות המייל:
"הדמנו שני טריליון" חתיכות "כהות של חומר כהה, החישוב הגדול ביותר מסוג זה שבוצע אי פעם. לשם כך היינו צריכים להשתמש בטכניקת חישוב המכונה "שיטת ה- multipole המהירה" ולהשתמש באחד מהמחשבים המהירים בעולם, "Piz Daint" במרכז השוויצרי הלאומי של שוויץ, שבין היתר יש יחידות עיבוד גרפיות מהירות מאוד. (GPUs) המאפשרים מהירות עצומה של חישובי הנקודות הצפות הנחוצות בסימולציה. החומר האפל מקבץ ל"הילות "של חומר אפל אשר בתורו מאגסן את הגלקסיות. החישוב שלנו מייצר במדויק את ההתפלגות ואת המאפיינים של החומר האפל, כולל הילות, אך יש להציב את הגלקסיות, על כל תכונותיהן, בתוך הילות אלה באמצעות מודל. חלק זה של המשימה ביצע על ידי עמיתינו בברצלונה בהנחייתם של פבלו פוסלבה ופרנסיסקו קסטנדר. לאחר מכן, לגלקסיות אלה יש את הצבעים הצפויים, התפלגות המרחב וקווי הפליטה (חשובים לספקטרום שנצפה על ידי אוקליד) וניתן להשתמש בהם לבדיקה וכיול של שיטתיות ושגיאות אקראיות שונות בכל צנרת המכשירים של אוקליד. "
בזכות הדיוק הגבוה של חישוביהם הצוות הצליח להוציא קטלוג העונה על דרישות המשימה האירופאית של סוכנות החלל האירופית, שמטרתה העיקרית היא לחקור את "היקום האפל". סוג זה של מחקר חיוני להבנת היקום בסולם הכמויות הגדול ביותר, בעיקר מכיוון שרובו המוחלט של היקום אפל.
בין 23% מהיקום המורכב מחומר אפל לבין 72% המורכב מאנרגיה אפלה, רק העשרים העולמי מהיקום מורכב למעשה מחומר שאנו יכולים לראות עם מכשירים רגילים (המכונה "זוהרת") או עניין בריוני). למרות שהוצע במהלך שנות השישים והתשעים בהתאמה, חומר אפל ואנרגיה אפלה נותרים שתיים מהתעלומות הקוסמולוגיות הגדולות ביותר.
בהתחשב בכך שקיומם נדרש על מנת שהמודלים הקוסמולוגיים הנוכחיים שלנו יעבדו, קיומם הושג רק מעולם באמצעות התבוננות עקיפה. זה בדיוק מה שתעשה המשימה האוקלידית במהלך משימת שש השנים שלה, שתורכב ממנה לכידת אור ממיליארדי גלקסיות ומדידתה עבור עיוותים עדינים שנגרמים בגלל נוכחות המסה בקדמת הבמה.
באותה צורה שבה ניתן לעוות את מדידת האור ברקע על ידי נוכחות שדה כבידה בינה לבין המתבונן (כלומר מבחן שזכה לזמן יחסי הכללי), נוכחות של חומר אפל תפעיל השפעה על הכבידה על האור. כפי שהסביר סטדל, היקום המדומה שלהם ישחק תפקיד חשוב במשימה זו האוקלידית - לספק מסגרת שתשמש במהלך המשימה ואחריה.
"כדי לחזות עד כמה הרכיבים הנוכחיים יוכלו לבצע מדידה נתונה, יש ליצור יקום מאוכלס בגלקסיות קרוב ככל האפשר ליקום הנצפה האמיתי", אמר. "קטלוג הגלקסיות 'המדומה' הזה הוא מה שנוצר מהסימולציה וישמש כעת בדרך זו. עם זאת, בעתיד כשאוקליד מתחיל לקחת נתונים, נצטרך גם להשתמש בסימולציות כאלו כדי לפתור את הבעיה ההפוכה. לאחר מכן נצטרך להיות מסוגלים לקחת את היקום הנצפה ולקבוע את הפרמטרים הבסיסיים של הקוסמולוגיה; חיבור שכרגע ניתן ליצור רק בדיוק מספיק על ידי הדמיות גדולות כמו זו שביצענו זה עתה. זהו היבט חשוב נוסף של האופן בו סימולציה כזו פועלת ומרכזית במשימת אוקלידס. "
מנתוני אוקליד, החוקרים מקווים להשיג מידע חדש על אופי החומר האפל, אך גם לגלות פיזיקה חדשה החורגת מהמודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים - כלומר גרסה שונה של תורת היחסות הכללית או סוג חדש של חלקיק. כפי שהסביר שטדל, התוצאה הטובה ביותר למשימה תהיה התוצאה שבה מתקבלות התוצאות לא תואמים את הציפיות.
"אמנם זה בהחלט יבצע את המדידות המדויקות ביותר של פרמטרים קוסמולוגיים בסיסיים (כמו כמות החומר האפל והאנרגיה ביקום) מרגש הרבה יותר יהיה למדוד משהו שמתנגש או, לכל הפחות, נמצא במתח עם מודל "חומר כהה וקרה למבדה רגילה" (LCDM) הנוכחי, "אמר. "אחת השאלות הגדולות ביותר היא האם מה שמכונה 'אנרגיה אפלה' של מודל זה הוא למעשה סוג של אנרגיה, או שמא הוא מתואר בצורה נכונה יותר על ידי שינוי בתורת היחסות הכללית של איינשטיין. למרות שאנו פשוט נתחיל לגרד את פני השאלות הללו, הם חשובים מאוד ויש להם פוטנציאל לשנות את הפיזיקה ברמה בסיסית מאוד. "
בעתיד מקווים סטדל וחבריו להריץ הדמיות על התפתחות קוסמית המתחשבים בשני החומר האפל ו אנרגיה שחורה. יום אחד, היבטים אקזוטיים אלה של הטבע עשויים להוות את עמודי התווך של קוסמולוגיה חדשה, שהיא החורגת מעבר לפיזיקה של המודל הסטנדרטי. בינתיים, אסטרופיסיקאים מרחבי העולם יחכו ככל הנראה לקבוצת התוצאות הראשונה של משימת אוקלידס בנשימה עצורה.
אוקליד היא אחת מכמה משימות העוסקות כיום במצוד אחר חומר אפל ובמחקר כיצד עיצב את היקום שלנו. אחרים כוללים את הניסוי Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) על סיפון ה- ISS, סקר הקילוגרמים של ESO (KiDS), ואת ה- Hard Hard Collider הגדול של CERN. במזל, ניסויים אלה יחשפו קטעים לפאזל הקוסמולוגי שנשאר חמקמק במשך עשרות שנים.
