우주를 이해하고 수십억 년 동안 어떻게 진화 해 왔는지는 다소 어려운 과제입니다. 한편으로, 수십억 광년을 시간이 지남에 따라 어떻게 큰 규모의 구조가 바뀌 었는지 확인하기 위해 수십억 광년을 깊은 우주 (따라서 수십억 년 전)로 들여다 보는 것도 포함됩니다. 그런 다음, (알려진 물리학을 기반으로) 모양을 시뮬레이션하고 일치하는지 확인하기 위해 방대한 양의 컴퓨팅 능력이 필요합니다.
그것이 취리히 대학 (UZH)의 천체 물리학 자 팀이“Piz Daint”슈퍼 컴퓨터를 사용했던 것입니다. 이 정교한 기계로 그들은 우리 우주 전체의 형성을 시뮬레이션하고 약 250 억 개의 가상 은하의 카탈로그를 만들었습니다. 이 카탈로그는 2020 년 ESA의 유클리드 미션을 통해 출시 될 예정이며, 암흑 물질 조사를 위해 우주를 조사하는 데 6 년이 소요됩니다.
팀의 연구는 저널에 꼼꼼하게 나타난 연구에서 자세히 설명되었습니다 전산 천체 물리학과 우주론. Douglas Potter가 이끄는이 팀은 지난 3 년간 암흑 물질의 역학을 설명하고 우주에서 대규모 구조물을 형성하는 데있어 전례없는 정확도로 최적화 된 코드를 개발하는 데 3 년을 보냈습니다.
PKDGRAV3으로 알려진이 코드는 최신 슈퍼 컴퓨팅 아키텍처의 가용 메모리 및 처리 능력을 최적으로 사용하도록 특별히 설계되었습니다. CSCS (Swiss National Computing Center)에 위치한 "Piz Daint"슈퍼 컴퓨터에서 80 시간 동안 실행 된 후, 2 조 매크로 입자의 가상 우주를 생성 할 수있었습니다. 수십억 개의 가상 은하가 추출되었다.
그들의 계산에 내재 된 것은 암흑 물질 유체가 자체의 중력 하에서 진화하여 "암흑 물질 후광"으로 알려진 작은 농도의 형성으로 이어지는 방식이었다. 은하와 같이 은하계가 형성되었다고 여겨지는 것은 은하의 가시적 범위를 훨씬 뛰어 넘는 것으로 생각되는 이론적 구성 요소 인 후광 내에있다.
당연히 이것은 상당히 어려운 과제였습니다. 암흑 물질의 구조가 어떻게 진화하는지에 대한 정확한 계산뿐만 아니라 이것이 우주의 다른 모든 부분에 어떻게 영향을 미치는지를 고려해야했습니다. UZH의 이론 천체 물리학과 우주 과학 센터의 교수 인 Joachim Stadel은 전자 우편을 통해 Space Magazine에 다음과 같이 말했습니다.
“우리는이 유형의 가장 큰 계산 인 2 조 개의 암흑 물질“조각”을 시뮬레이션했습니다. 이를 위해 우리는 "빠른 멀티 폴 방법"이라고하는 계산 기술을 사용하고 세계에서 가장 빠른 컴퓨터 중 하나 인 스위스 국립 슈퍼 컴퓨팅 센터의 "피즈 데 인트 (Piz Daint)"를 사용해야했습니다. 시뮬레이션에 필요한 부동 소수점 계산의 속도를 크게 높일 수있는 (GPU). 암흑 물질은 은하계를 뒤덮는 암흑 물질 "후광"으로 클러스터됩니다. 우리의 계산은 후광을 포함하여 암흑 물질의 분포와 속성을 정확하게 생성하지만 모든 속성을 가진 은하계는 모델을 사용하여이 후광 내에 배치되어야합니다. 이 작업의 일부는 바르셀로나의 동료들이 Pablo Fossalba와 Francisco Castander의 지시에 따라 수행했습니다. 이 은하들은 예상 색상, 공간 분포 및 방출 선 (유클리드가 관찰 한 스펙트럼에 중요 함)을 가지며 유클리드의 전체 계측 파이프 라인 내에서 다양한 체계적 및 임의의 오류를 테스트하고 교정하는 데 사용될 수 있습니다.”
계산의 정확도가 높기 때문에이 팀은 유럽 우주국 (European Space Agency)의 유클리드 임무의 요구 사항을 충족하는 카탈로그를 만들 수있었습니다. 이러한 종류의 연구는 우주의 대다수가 어둡기 때문에 가장 큰 규모의 우주를 이해하는 데 필수적입니다.
암흑 물질로 구성된 우주의 23 %와 암흑 에너지로 구성된 72 % 사이에서 실제로 우주의 20 분의 1만이 우리가 정상적인 도구로 볼 수있는 물질로 구성됩니다 (일명“발광”). 또는 바리 닉 물질). 1960 년대와 1990 년대에 각각 제안되었지만 암흑 물질과 암흑 에너지는 가장 큰 우주 론적 미스터리로 남아 있습니다.
우리의 현재 우주론 모델이 작동하기 위해서는 그들의 존재가 필요하다는 것을 감안할 때, 그들의 존재는 간접적 인 관찰을 통해서만 유추 된 적이있다. 이것이 바로 유클리드 임무가 6 년간의 임무를 수행하는 과정에서 수십억 개의 은하에서 빛을 포착하고 포 그라운드에 질량이 존재하여 미묘한 왜곡이 있는지를 측정하는 임무입니다.
배경 광 측정이 관측자와 관찰자 사이의 중력장의 존재에 의해 왜곡 될 수있는 것과 같은 방식으로 (즉, 일반 상대성 이론에 대한 시간 명예 테스트) 암흑 물질의 존재는 빛에 중력의 영향을 미칩니다. Stadel이 설명했듯이, 그들의 시뮬레이션 된 우주는이 유클리드 임무에서 중요한 역할을 할 것입니다 – 임무 도중과 후에 사용될 프레임 워크를 제공합니다.
그는“현재의 구성 요소가 주어진 측정을 얼마나 잘 수행 할 수 있는지 예측하기 위해서는 실제 관측 된 우주와 가능한 한 가까운 은하로 채워진 우주를 만들어야한다”고 말했다. “이 은하의 '모의'카탈로그는 시뮬레이션에서 생성 된 것이며 이제 이런 식으로 사용될 것입니다. 그러나 미래에 Euclid가 데이터를 가져 오기 시작하면 역의 문제를 해결하기 위해 이와 같은 시뮬레이션을 사용해야합니다. 그런 다음 관측 된 우주를 취하고 우주론의 기본 매개 변수를 결정할 수 있어야합니다. 우리가 방금 수행 한 것과 같은 큰 시뮬레이션에 의해 현재 충분한 정밀도로만 연결될 수있는 연결. 이것이 이러한 시뮬레이션 작업이 유클리드 미션의 중심이되는 방법의 두 번째 중요한 측면입니다.”
유클리드 데이터를 통해 연구자들은 암흑 물질의 성질에 대한 새로운 정보를 얻을 수있을뿐만 아니라 입자 물리학의 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학, 즉 일반 상대성 이론의 수정 된 버전 또는 새로운 유형의 입자를 발견하고자합니다. Stadel이 설명했듯이 미션의 최상의 결과는 결과가 아니 기대에 부응하십시오.
“우주에서 우주의 암흑 물질과 에너지의 양과 같은 기본 우주 론적 매개 변수를 가장 정확하게 측정하는 것은 훨씬 더 흥미로운 일이지만 갈등을 일으키거나 최소한 현재의 '표준 람다 냉암 물질'(LCDM) 모델”이라고 말했다. “가장 큰 질문 중 하나는이 모델의 소위 '암흑 에너지'가 실제로 일종의 에너지인지 또는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 수정으로 더 정확하게 묘사되는지 여부입니다. 우리는 그러한 질문의 표면을 긁기 시작하지만 매우 중요하며 물리를 매우 근본적인 수준으로 변화시킬 수있는 잠재력을 가지고 있습니다.”
앞으로 Stadel과 그의 동료들은 암흑 물질을 모두 고려한 우주 진화에 대한 시뮬레이션을 실행하기를 희망합니다 과 어두운 에너지. 언젠가, 이러한 자연의 이국적인 측면은 표준 모델의 물리학을 넘어 새로운 우주론의 기둥을 형성 할 수 있습니다. 한편, 전 세계 천체 물리학 자들은 유클리드 임무가 미끼로 숨쉬는 첫 번째 결과를 기다리고있을 것입니다.
유클리드는 현재 암흑 물질 사냥과 그것이 우주를 어떻게 형성했는지에 대한 연구에 참여하고있는 몇 가지 임무 중 하나입니다. 다른 예로는 ISS에서의 알파 자기 분광계 (AMS-02) 실험, ESO의 킬로 정도 조사 (KiDS) 및 CERN의 Large Hardon Collider가 있습니다. 운 좋게도,이 실험들은 수십 년 동안 애매 모호했던 우주론 퍼즐 조각들을 밝혀 낼 것입니다.
