Memahami Semesta dan bagaimana ia berevolusi selama miliaran tahun adalah tugas yang agak menakutkan. Di satu sisi, ini melibatkan miliaran tahun cahaya yang tampak susah payah ke ruang angkasa (dan dengan demikian, miliaran tahun di masa lalu) untuk melihat bagaimana struktur skala besar berubah dari waktu ke waktu. Kemudian, sejumlah besar daya komputasi diperlukan untuk mensimulasikan seperti apa bentuknya (berdasarkan fisika yang diketahui) dan melihat apakah cocok.
Itulah yang dilakukan oleh tim ahli astrofisika dari Universitas Zurich (UZH) menggunakan superkomputer "Piz Daint". Dengan mesin canggih ini, mereka mensimulasikan pembentukan seluruh Semesta kita dan menghasilkan katalog sekitar 25 miliar galaksi virtual. Katalog ini akan diluncurkan di atas misi Euclid ESA pada tahun 2020, yang akan menghabiskan waktu enam tahun untuk menyelidiki Semesta demi menyelidiki materi gelap.
Pekerjaan tim dirinci dalam studi yang muncul secara berulang di jurnal Astrofisika Komputasi dan Kosmologi. Dipimpin oleh Douglas Potter, tim menghabiskan tiga tahun terakhir mengembangkan kode yang dioptimalkan untuk menggambarkan (dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya) dinamika materi gelap serta pembentukan struktur skala besar di Semesta.
Kode, yang dikenal sebagai PKDGRAV3, secara khusus dirancang untuk secara optimal menggunakan memori yang tersedia dan kekuatan pemrosesan arsitektur super-komputasi modern. Setelah dieksekusi pada superkomputer "Piz Daint" - terletak di Pusat Komputasi Nasional Swiss (CSCS) - untuk periode hanya 80 jam, ia berhasil menghasilkan Semesta virtual dua triliun partikel makro, dari mana katalog 25 miliar galaksi virtual diekstraksi.
Intrinsik untuk perhitungan mereka adalah cara di mana cairan materi gelap akan berevolusi di bawah gravitasinya sendiri, sehingga mengarah pada pembentukan konsentrasi kecil yang dikenal sebagai "lingkaran cahaya materi gelap". Di dalam lingkaran cahaya ini - komponen teoretis yang diperkirakan meluas melampaui batas yang terlihat dari galaksi - bahwa galaksi seperti Bima Sakti diyakini telah terbentuk.
Tentu, ini menghadirkan tantangan yang cukup. Ini membutuhkan tidak hanya perhitungan yang tepat tentang bagaimana struktur materi gelap berevolusi, tetapi juga mengharuskan mereka mempertimbangkan bagaimana ini akan mempengaruhi setiap bagian lain dari Semesta. Seperti yang dikatakan Joachim Stadel, seorang profesor di Pusat Aorofisika dan Kosmologi Teoritis di UZH dan rekan penulisnya di koran, kepada Space Magazine melalui email:
“Kami mensimulasikan 2 triliun“ kepingan ”materi gelap seperti itu, perhitungan terbesar dari jenis ini yang pernah dilakukan. Untuk melakukan ini kami harus menggunakan teknik komputasi yang dikenal sebagai "metode multi-cepat" dan menggunakan salah satu komputer tercepat di dunia, "Piz Daint" di Pusat Supercomputing Nasional Swiss, yang antara lain memiliki unit pemrosesan grafis yang sangat cepat (GPU) yang memungkinkan percepatan perhitungan floating point yang sangat dibutuhkan dalam simulasi. Materi gelap mengelompok menjadi "lingkaran cahaya" materi gelap yang pada gilirannya menampung galaksi. Perhitungan kami secara akurat menghasilkan distribusi dan sifat-sifat materi gelap, termasuk lingkaran cahaya, tetapi galaksi, dengan semua sifatnya, harus ditempatkan di dalam lingkaran cahaya ini menggunakan model. Bagian dari tugas ini dilakukan oleh rekan-rekan kami di Barcelona di bawah arahan Pablo Fossalba dan Francisco Castander. Galaksi-galaksi ini kemudian memiliki warna yang diharapkan, distribusi spasial dan garis emisi (penting untuk spektra yang diamati oleh Euclid) dan dapat digunakan untuk menguji dan mengkalibrasi berbagai kesalahan sistematika dan acak dalam seluruh pipa instrumen Euclid. "
Berkat presisi tinggi dari perhitungan mereka, tim ini dapat menghasilkan katalog yang memenuhi persyaratan misi Euclid dari Badan Antariksa Eropa, yang tujuan utamanya adalah menjelajahi "alam semesta yang gelap". Jenis penelitian ini sangat penting untuk memahami Semesta pada skala terbesar, terutama karena sebagian besar Semesta gelap.
Antara 23% dari Semesta yang terdiri dari materi gelap dan 72% yang terdiri dari energi gelap, hanya satu per dua puluh dari Semesta sebenarnya terdiri dari materi yang dapat kita lihat dengan instrumen normal (alias. "Luminous" atau masalah baryonic). Meskipun diusulkan masing-masing pada 1960-an dan 1990-an, materi gelap dan energi gelap tetap menjadi dua dari misteri kosmologis terbesar.
Mengingat bahwa keberadaan mereka diperlukan agar model kosmologis kita saat ini berfungsi, keberadaan mereka hanya disimpulkan melalui pengamatan tidak langsung. Inilah tepatnya yang akan dilakukan misi Euclid selama misi enam tahun, yang akan terdiri dari itu menangkap cahaya dari miliaran galaksi dan mengukurnya untuk distorsi halus yang disebabkan oleh kehadiran massa di latar depan.
Sama halnya dengan cara mengukur cahaya latar belakang dapat terdistorsi oleh kehadiran medan gravitasi antara itu dan pengamat (mis. Tes waktu yang dihormati untuk Relativitas Umum), kehadiran materi gelap akan mengerahkan pengaruh gravitasi pada cahaya. Seperti yang dijelaskan Stadel, Semesta simulasi mereka akan memainkan peran penting dalam misi Euclid ini - menyediakan kerangka kerja yang akan digunakan selama dan setelah misi.
"Untuk memperkirakan seberapa baik komponen saat ini akan dapat melakukan pengukuran tertentu, sebuah Semesta yang dihuni galaksi sedekat mungkin dengan Semesta yang diamati harus dibuat," katanya. “Katalog 'tiruan' galaksi inilah yang dihasilkan dari simulasi dan sekarang akan digunakan dengan cara ini. Namun, di masa mendatang ketika Euclid mulai mengambil data, kita juga perlu menggunakan simulasi seperti ini untuk menyelesaikan masalah terbalik. Kita kemudian perlu untuk dapat mengambil Semesta yang diamati dan menentukan parameter dasar kosmologi; koneksi yang saat ini hanya dapat dibuat pada ketepatan yang cukup dengan simulasi besar seperti yang baru saja kita lakukan. Ini adalah aspek penting kedua tentang bagaimana simulasi tersebut bekerja [dan] merupakan pusat misi Euclid. "
Dari data Euclid, para peneliti berharap untuk mendapatkan informasi baru tentang sifat materi gelap, tetapi juga untuk menemukan fisika baru yang melampaui Model Standar fisika partikel - yaitu versi modifikasi relativitas umum atau jenis partikel baru. Seperti yang dijelaskan Stadel, hasil terbaik untuk misi adalah hasil di mana hasilnya tidak sesuai dengan harapan.
“Walaupun itu pasti akan membuat pengukuran paling akurat dari parameter kosmologis mendasar (seperti jumlah materi gelap dan energi di Semesta) jauh lebih menarik adalah mengukur sesuatu yang bertentangan atau, paling tidak, ada dalam ketegangan dengan saat ini model 'standar lambda cold dark matter' (LCDM), ”katanya. “Salah satu pertanyaan terbesar adalah apakah yang disebut 'energi gelap' dari model ini sebenarnya adalah bentuk energi, atau apakah itu lebih tepat dijelaskan oleh modifikasi teori relativitas umum Einstein. Meskipun kita mungkin baru saja mulai menggaruk permukaan pertanyaan seperti itu, mereka sangat penting dan memiliki potensi untuk mengubah fisika pada tingkat yang sangat mendasar. "
Di masa depan, Stadel dan rekan-rekannya berharap menjalankan simulasi pada evolusi kosmik yang memperhitungkan kedua materi gelap dan energi gelap. Suatu hari, aspek-aspek eksotis dari alam ini dapat membentuk pilar-pilar kosmologi baru, yang mencapai melampaui fisika Model Standar. Sementara itu, astrofisikawan dari seluruh dunia kemungkinan akan menunggu hasil pertama dari misi Euclid dengan napas umpan.
Euclid adalah salah satu dari beberapa misi yang saat ini terlibat dalam perburuan dark matter dan studi tentang bagaimana ia membentuk Alam Semesta kita. Yang lainnya termasuk percobaan Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) di atas ISS, Survey Dero Derajat (KiDS) ESO, dan Large Hardon Collider CERN. Dengan keberuntungan, percobaan ini akan mengungkapkan potongan-potongan teka-teki kosmologis yang tetap sulit dipahami selama beberapa dekade.
