Memahami Alam Semesta dan bagaimana ia telah berkembang selama berbilion tahun adalah tugas yang agak menakutkan. Di satu pihak, ia melibatkan dengan susah payah melihat miliaran tahun cahaya ke ruang dalam (dan dengan itu, berbilion tahun yang lalu) untuk melihat bagaimana struktur berskala besarnya berubah dari masa ke masa. Kemudian, sejumlah besar daya pengkomputeran diperlukan untuk mensimulasikan seperti apa (berdasarkan fizik yang diketahui) dan melihat apakah ia sesuai.
Itulah yang dilakukan oleh pasukan astrofizik dari Universiti Zurich (UZH) menggunakan komputer super "Piz Daint". Dengan mesin canggih ini, mereka mensimulasikan pembentukan seluruh Alam Semesta kita dan menghasilkan katalog kira-kira 25 bilion galaksi maya. Katalog ini akan dilancarkan dalam misi Euclid ESA pada tahun 2020, yang akan menghabiskan masa selama enam tahun untuk meneliti Alam Semesta demi menyiasat perkara gelap.
Hasil kerja pasukan ini diperincikan dalam sebuah kajian yang muncul secara berulang dalam jurnal Astrofizik dan Kosmologi Komputasi. Diketuai oleh Douglas Potter, pasukan menghabiskan tiga tahun terakhir untuk mengembangkan kod yang dioptimumkan untuk menggambarkan (dengan ketepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya) dinamika jirim gelap serta pembentukan struktur berskala besar di Alam Semesta.
Kod, yang dikenali sebagai PKDGRAV3, dirancang khusus untuk menggunakan memori dan kekuatan pemprosesan yang ada dari seni bina komputer super moden. Setelah dijalankan di komputer super "Piz Daint" - yang terletak di Pusat Pengkomputeran Nasional Swiss (CSCS) - untuk jangka masa hanya 80 jam, ia berjaya menghasilkan Alam Semesta maya dua trilion zarah makro, dari mana katalog 25 bilion galaksi maya diekstrak.
Intrinsik dalam pengiraan mereka adalah cara di mana cairan materi gelap akan berevolusi di bawah gravitinya sendiri, sehingga menyebabkan pembentukan kepekatan kecil yang dikenal sebagai "halo materi gelap". Di dalam halos ini - komponen teoritis yang diperkirakan meluas jauh melebihi tahap galaksi yang dapat dilihat - galaksi seperti Bima Sakti dipercayai terbentuk.
Secara semula jadi, ini memberikan cabaran yang cukup besar. Ia tidak hanya memerlukan perhitungan yang tepat tentang bagaimana struktur bahan gelap berkembang, tetapi juga mengharuskan mereka mempertimbangkan bagaimana hal ini akan mempengaruhi setiap bagian lain dari Alam Semesta. Sebagai Joachim Stadel, seorang profesor di Pusat Astrofizik dan Kosmologi Teoretikal di UZH dan pengarang bersama di koran itu, memberitahu Space Magazine melalui e-mel:
"Kami mensimulasikan 2 trilion" kepingan materi gelap ", perhitungan terbesar jenis ini yang pernah dilakukan. Untuk melakukan ini, kita harus menggunakan teknik perhitungan yang dikenal sebagai "kaedah multipole cepat" dan menggunakan salah satu komputer terpantas di dunia, "Piz Daint" di Pusat Superkomputeran Nasional Swiss, yang antara lain memiliki unit pemprosesan grafik yang sangat cepat (GPU) yang memungkinkan percepatan pengiraan titik terapung yang diperlukan dalam simulasi. Materi gelap berkerumun menjadi "halos" benda gelap yang pada gilirannya menyimpan galaksi. Pengiraan kami dengan tepat menghasilkan taburan dan sifat bahan gelap, termasuk halo, tetapi galaksi, dengan semua sifatnya, mesti diletakkan di dalam lingkaran ini menggunakan model. Bahagian tugas ini dilakukan oleh rakan-rakan kita di Barcelona di bawah arahan Pablo Fossalba dan Francisco Castander. Galaksi-galaksi ini kemudian mempunyai warna yang diharapkan, taburan spasial dan garis pelepasan (penting untuk spektrum yang diperhatikan oleh Euclid) dan dapat digunakan untuk menguji dan mengkalibrasi pelbagai sistematik dan kesalahan rawak dalam keseluruhan saluran instrumen Euclid. "
Berkat ketepatan pengiraan yang tinggi, pasukan berjaya mengeluarkan katalog yang memenuhi syarat misi Euclid Badan Angkasa Eropah, yang objektif utamanya adalah untuk meneroka "alam semesta gelap". Penyelidikan semacam ini sangat mustahak untuk memahami alam semesta dengan skala yang paling besar, terutamanya kerana sebahagian besar alam semesta gelap.
Di antara 23% Alam Semesta yang terdiri daripada bahan gelap dan 72% yang terdiri daripada tenaga gelap, hanya satu-dua puluh Alam Semesta yang sebenarnya terdiri dari bahan yang dapat kita lihat dengan instrumen biasa (alias "bercahaya" atau perkara baryonic). Walaupun dicadangkan masing-masing pada tahun 1960-an dan 1990-an, bahan gelap dan tenaga gelap tetap menjadi dua misteri kosmologi terhebat.
Memandangkan keberadaan mereka diperlukan agar model kosmologi kita dapat berfungsi, keberadaan mereka hanya dapat disimpulkan melalui pemerhatian tidak langsung. Inilah yang akan dilakukan oleh misi Euclid selama misi enam tahunnya, yang terdiri daripada ia menangkap cahaya dari berbilion galaksi dan mengukurnya untuk penyimpangan halus yang disebabkan oleh kehadiran massa di latar depan.
Sama seperti pengukuran cahaya latar dapat diputarbelitkan dengan adanya medan graviti di antara ia dan pemerhati (iaitu ujian masa untuk Relativiti Umum), kehadiran bahan gelap akan memberikan pengaruh graviti pada cahaya. Seperti yang dijelaskan oleh Stadel, Universe yang disimulasikan mereka akan memainkan peranan penting dalam misi Euclid ini - menyediakan kerangka yang akan digunakan selama dan setelah misi.
"Untuk meramalkan seberapa baik komponen semasa dapat membuat pengukuran tertentu, Alam Semesta yang dihuni galaksi sedekat mungkin dengan Alam Semesta yang diperhatikan sebenarnya harus dibuat," katanya. Katalog galaksi "tiruan" inilah yang dihasilkan dari simulasi dan sekarang akan digunakan dengan cara ini. Namun, pada masa akan datang apabila Euclid mula mengambil data, kita juga perlu menggunakan simulasi seperti ini untuk menyelesaikan masalah terbalik. Kita kemudian perlu dapat mengambil Alam Semesta yang diperhatikan dan menentukan parameter asas kosmologi; sambungan yang pada masa ini hanya dapat dibuat dengan ketepatan yang mencukupi dengan simulasi besar seperti yang baru sahaja kita laksanakan. Ini adalah aspek penting kedua bagaimana simulasi tersebut berfungsi [dan] adalah pusat misi Euclid. "
Dari data Euclid, para penyelidik berharap dapat memperoleh maklumat baru mengenai sifat bahan gelap, tetapi juga untuk menemui fizik baru yang melampaui Model Piawai fizik partikel - iaitu versi relativiti umum yang diubah suai atau jenis zarah baru. Seperti yang dijelaskan oleh Stadel, hasil terbaik untuk misi itu adalah hasilnya tidak menepati jangkaan.
"Walaupun ia pasti akan membuat pengukuran parameter kosmologi asas yang paling tepat (seperti jumlah bahan gelap dan tenaga di Alam Semesta) jauh lebih menggembirakan adalah untuk mengukur sesuatu yang bertentangan atau, paling tidak, berada dalam ketegangan dengan model 'lambda sejuk gelap gelap' standard (LCDM) semasa, "katanya. "Salah satu persoalan terbesar ialah apakah yang disebut 'tenaga gelap' model ini sebenarnya adalah bentuk tenaga, atau adakah ia dijelaskan dengan lebih tepat dengan pengubahsuaian teori relativiti umum Einstein. Walaupun kita mungkin baru mulai menggaruk permukaan pertanyaan seperti itu, pertanyaan itu sangat penting dan berpotensi untuk mengubah fizik pada tahap yang sangat mendasar. "
Pada masa akan datang, Stadel dan rakan-rakannya berharap dapat menjalankan simulasi evolusi kosmik yang mengambil kira kedua-dua jirim gelap dan tenaga gelap. Suatu hari, aspek-aspek alam yang eksotik ini dapat membentuk tonggak kosmologi baru, yang menjangkau fisika Model Piawai. Sementara itu, ahli astrofizik dari seluruh dunia kemungkinan akan menunggu hasil pertama dari misi Euclid dengan nafas umpan.
Euclid adalah salah satu dari beberapa misi yang kini terlibat dalam mencari bahan gelap dan kajian bagaimana ia membentuk Alam Semesta kita. Yang lain termasuk eksperimen Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) di atas ISS, ESO's Kilo Degree Survey (KiDS), dan CERN's Large Hardon Collider. Nasib baik, eksperimen ini akan mengungkap teka-teki kosmologi yang masih sukar difahami selama beberapa dekad.
