Když máte pořádný superpočítač a dost času, tak si můžete nasimulovat skutečně úctyhodný vesmír. Rekordní simulace vesmíru zpracovala 2 biliony virtuálních částic.

Je skvělé mít celý vesmír. Když ne opravdový, tak alespoň virtuální. I takový může být pro vědce velice užitečný. Právě tohle si splnili astrofyzici Curyšské univerzity, když si nasimulovali vznik vesmíru ve velkém stylu. Jejich simulace byla vygenerována z celkem 2 bilionů digitálních „částic“. Vznikl při tom ohromující katalog asi 25 miliard virtuálních galaxií. Tento katalog teď vědci využívají ke kalibraci experimentů, které se uskuteční na palubě evropské sondy Euclid. Sondě se to bude hodit, až v roce 2020 zahájí výzkum povahy temné hmoty a temné energie.

Romain Teyssier. Kredit: UZH.

Simulovat monumentální vesmír, to není jen tak. Tým astrofyziků Curyšské univerzity strávil déle než tři roky vývojem a optimalizováním nového softwaru, jehož cílem je s doposud nevídanou přesností popsat dynamiku temné hmoty a vznik největších struktur ve vesmíru. Jak o tom Douglas Potter, Joachim Stadel a Romain Teyssier nedávno napsali ve vědecké studii publikované časopisem s příznačným názvem Computational Astrophysics & Cosmology, svůj software PKDGRAV3 navrhli tak, aby co nejlépe využil paměti a výpočetní sílu moderních superpočítačů.

Potter a spol. vytvořili simulovaný vesmír na superpočítači Piz Daint, který sídlí ve Švýcarském národním výpočetním centru CSCS. Piz Daint přitom není žádná kalkulačka, ale notně nabušené dělo s 207 tisíci výpočetními jádry, které se drží v první desítce superpočítačů světa, jako jediný zástupce Evropy. Nejlepší evropský superpočítač budoval simulovaný vesmír s 25 miliardami galaxií asi 80 hodin.

Sonda Euclid. Kredit: ESA/C. Carreau,CC BY-SA 3.0 IGO.

Nová simulace vesmíru je velice detailní a zahrnuje vývoj struktur z temné hmoty pod vlivem její vlastní gravitace. Díky tomu si Potter s kolegy mohli simulovat vznik hal temné hmoty, o nichž předpokládáme, že v nich vznikaly galaxie, jako je Mléčná dráha. Simulace vytvořila galaxie, jejichž velikost odpovídá asi jedné desetině Mléčné dráhy, ale přitom je tak rozsáhlá, že se vyrovná celému viditelnému vesmíru. To bylo nutné kvůli kalibraci sondy Euclid.

Superpočítač Piz Daint. Kredit: HPC-Ch.

Potterův kolega Romain Teyssier připomíná poněkud stresující skutečnost, že stále absolutně netušíme, co je temná hmota zač. Nemluvě o temné energii, pokud nějaká taková existuje. Temná hmota jako taková je našimi přístroji nepozorovatelná. Připravovaná sonda Euclid to bude dělat rafinovaně, nepřímo. Nasnímá si miliardy galaxií z velkých ploch oblohy a data pak pošle astrofyzikům. Ti budou z nepatrných náznaků deformací obrazů galaxií sestavovat pravděpodobné rozložení temné hmoty v pozorovatelném vesmíru.

Tým mise Euclid se to naučí právě na simulaci švýcarských astrofyziků. Díky miliardám simulovaných galaxií si teď mohou vyladit přístroje, software i zpracování dat. Doufají, že tak minimalizují možné zdroje chyb ještě předtím, než se Euclid v roce 2020 vydá na svou šestiletou vědeckou misi. Astrofyzici od sondy očekávají, že sestaví mapu vesmíru, která zahrne více než 10 miliard let evoluce vesmírného prostoru. Také by se rádi dozvěděli něco nového o temné energii, a když se zadaří, tak by Euclid mohl vědce dovést třeba až k tolik očekávané nové fyzice. Ve hře jsou prý modifikované verze obecné relativity nebo snad nové typy částic. Uvidíme po roce 2020.

Video:  Euclid: exploring the dark matter

Heidelberg Joint Astronomical Colloquium: Romain Teyssier


Literatura
Universität Zürich 9. 6. 2017, Computational Astrophysics & Cosmology online 18. 5. 2017.