Onderzoekers van de Universiteit van Zürich hebben de vorming van ons hele universum gesimuleerd met een grote supercomputer. Een gigantische catalogus van ongeveer 25 miljard virtuele sterrenstelsels is gegenereerd uit 2 biljoen digitale deeltjes. Deze catalogus wordt gebruikt om de experimenten aan boord van de Euclid-satelliet te kalibreren, dat in 2020 van start gaat met als doel de aard van donkere materie en donkere energie te onderzoeken.

Over een periode van drie jaar, een groep astrofysici van de Universiteit van Zürich heeft een revolutionaire code ontwikkeld en geoptimaliseerd om met ongekende nauwkeurigheid de dynamiek van donkere materie en de vorming van grootschalige structuren in het universum te beschrijven. Als Joachim Stadel, Douglas Potter en Romain Teyssier rapporteren in hun recent gepubliceerde paper, de code (genaamd PKDGRAV3) is ontworpen om optimaal gebruik te maken van het beschikbare geheugen en de verwerkingskracht van moderne supercomputing-architecturen, zoals de "Piz Daint"-supercomputer van het Swiss National Computing Center (CSCS). De code werd slechts 80 uur op deze toonaangevende machine uitgevoerd, en genereerde een virtueel universum van twee biljoen (d.w.z. tweeduizend miljard of 2 x 1012) macrodeeltjes die de donkere materie vloeistof vertegenwoordigen, waaruit een catalogus van 25 miljard virtuele sterrenstelsels werd gehaald.

De samenstelling van het donkere universum bestuderen

Dankzij de hoge nauwkeurigheid van hun berekening, met een donkere materievloeistof die evolueert onder zijn eigen zwaartekracht, de onderzoekers hebben de vorming van kleine concentraties materie gesimuleerd, donkere materie halo's genoemd, waarin we sterrenstelsels zoals de vorm van de Melkweg geloven. De uitdaging van deze simulatie was om sterrenstelsels zo klein als een tiende van de Melkweg te modelleren, in een volume zo groot als ons hele waarneembare heelal. Dit was de eis van de Europese Euclides-missie, wiens hoofddoel het is om de donkere kant van het universum te verkennen.

Subtiele vervormingen meten

Inderdaad, ongeveer 95 procent van het heelal is donker. De kosmos bestaat voor 23 procent uit donkere materie en voor 72 procent uit donkere energie. "De aard van donkere energie blijft een van de belangrijkste onopgeloste puzzels in de moderne wetenschap, " zegt Romain Teyssier, UZH-hoogleraar computationele astrofysica. Een puzzel die alleen kan worden opgelost door indirecte waarneming:wanneer de Euclid-satelliet het licht van miljarden sterrenstelsels in grote delen van de lucht zal opvangen, astronomen zullen zeer subtiele vervormingen meten die ontstaan ​​door de afbuiging van het licht van deze achtergrondstelsels door een voorgrond, onzichtbare verdeling van massa – donkere materie. "Dat is vergelijkbaar met de vervorming van licht door een wat oneffen glasplaat, ", zegt Joachim Stadel van het Institute for Computational Science van de UZH.

Optimalisatie van observatiestrategieën van de satelliet

Deze nieuwe virtuele melkwegcatalogus zal helpen de observatiestrategie van het Euclid-experiment te optimaliseren en verschillende bronnen van fouten te minimaliseren, voordat de satelliet in 2020 aan zijn zesjarige missie voor het verzamelen van gegevens begint. "Euclid zal een tomografische kaart van ons universum maken, meer dan 10 miljard jaar evolutie in de kosmos terug in de tijd, " zegt Stadel. Uit de Euclidische gegevens, onderzoekers zullen nieuwe informatie verkrijgen over de aard van deze mysterieuze donkere energie, maar hoop ook nieuwe natuurkunde te ontdekken die verder gaat dan het standaardmodel, zoals een aangepaste versie van de algemene relativiteitstheorie of een nieuw type deeltje.