Hiểu vũ trụ và nó đã phát triển như thế nào trong hàng tỷ năm là một nhiệm vụ khá khó khăn. Một mặt, nó liên quan đến việc nhìn hàng tỷ năm ánh sáng vào không gian sâu thẳm (và do đó, hàng tỷ năm trở lại thời gian) để xem cấu trúc quy mô lớn của nó thay đổi theo thời gian như thế nào. Sau đó, cần một lượng lớn sức mạnh tính toán để mô phỏng nó trông như thế nào (dựa trên vật lý đã biết) và xem liệu chúng có khớp với nhau không.
Đó là những gì một nhóm các nhà vật lý thiên văn đến từ Đại học Zurich (UZH) đã làm bằng cách sử dụng siêu máy tính của Piz Piz Daint. Với cỗ máy tinh vi này, họ đã mô phỏng sự hình thành của toàn bộ Vũ trụ của chúng ta và tạo ra một danh mục gồm khoảng 25 tỷ thiên hà ảo. Danh mục này sẽ được đưa ra trên nhiệm vụ ESA từ Euclid vào năm 2020, sẽ mất sáu năm để thăm dò vũ trụ vì mục đích điều tra vật chất tối.
Công việc của đội ngũ được chi tiết trong một nghiên cứu xuất hiện lặp đi lặp lại trên tạp chí Vật lý thiên văn và vũ trụ học tính toán. Được dẫn dắt bởi Douglas Potter, nhóm nghiên cứu đã dành ba năm qua để phát triển một mã tối ưu hóa để mô tả (với độ chính xác chưa từng có) về động lực học của vật chất tối cũng như sự hình thành các cấu trúc quy mô lớn trong Vũ trụ.
Mã, được gọi là PKDGRAV3, được thiết kế đặc biệt để sử dụng tối ưu bộ nhớ có sẵn và khả năng xử lý của các kiến trúc siêu điện toán hiện đại. Sau khi được thực hiện trên siêu máy tính của Piz Piz Daint, - đặt tại Trung tâm điện toán quốc gia Thụy Sĩ (CSCS) - trong khoảng thời gian chỉ 80 giờ, nó đã tạo ra một vũ trụ ảo gồm hai nghìn tỷ hạt vĩ mô, từ đó một danh mục gồm 25 nghìn hạt tỷ thiên hà ảo đã được trích xuất.
Nội tại theo tính toán của họ là cách mà chất lỏng vật chất tối sẽ phát triển dưới trọng lực của chính nó, do đó dẫn đến sự hình thành nồng độ nhỏ được gọi là vật chất tối halos halos. Chính trong các quầng sáng này - một thành phần lý thuyết được cho là mở rộng vượt ra ngoài phạm vi có thể nhìn thấy của một thiên hà - rằng các thiên hà như Dải Ngân hà được cho là đã hình thành.
Đương nhiên, điều này trình bày khá thách thức. Nó không chỉ đòi hỏi một tính toán chính xác về cách cấu trúc của vật chất tối phát triển, mà còn yêu cầu họ xem xét điều này sẽ ảnh hưởng đến mọi phần khác của Vũ trụ như thế nào. Như Joachim Stadel, giáo sư của Trung tâm Vật lý thiên văn và Vũ trụ học tại UZH và là đồng tác giả trên báo, đã nói với Tạp chí Space qua email:
Chúng tôi đã mô phỏng 2 nghìn tỷ vật chất tối như vậy, các mảnh vụn, tính toán lớn nhất của loại hình này đã từng được thực hiện. Để làm được điều này, chúng tôi đã phải sử dụng một kỹ thuật tính toán được gọi là phương pháp đa cực nhanh, và sử dụng một trong những máy tính nhanh nhất thế giới, đó là một trong những máy tính siêu tốc quốc gia Thụy Sĩ, trong số những thứ khác có bộ xử lý đồ họa rất nhanh (GPU) cho phép tăng tốc rất lớn các phép tính dấu phẩy động cần thiết trong mô phỏng. Vật chất tối tụ lại thành vật chất tối, halosos, thứ lần lượt chứa chấp các thiên hà. Tính toán của chúng tôi tạo ra chính xác sự phân bố và tính chất của vật chất tối, bao gồm các halo, nhưng các thiên hà, với tất cả các thuộc tính của chúng, phải được đặt trong các halo này bằng mô hình. Phần này của nhiệm vụ được thực hiện bởi các đồng nghiệp của chúng tôi tại Barcelona dưới sự chỉ đạo của Pablo Fossalba và Francisco Castander. Các thiên hà này sau đó có màu sắc dự kiến, phân bố không gian và các vạch phát xạ (quan trọng đối với quang phổ quan sát bởi Euclid) và có thể được sử dụng để kiểm tra và hiệu chỉnh các hệ thống khác nhau và các lỗi ngẫu nhiên trong toàn bộ đường ống công cụ của Euclid.
Nhờ tính chính xác cao của các tính toán của họ, nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra một danh mục đáp ứng các yêu cầu của nhiệm vụ Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, với mục tiêu chính là khám phá vũ trụ tối của Hồi. Loại nghiên cứu này rất cần thiết để hiểu Vũ trụ trên quy mô lớn nhất, chủ yếu là do phần lớn Vũ trụ là bóng tối.
Giữa 23% Vũ trụ được tạo thành từ vật chất tối và 72% bao gồm năng lượng tối, chỉ một phần hai của Vũ trụ thực sự được tạo thành từ vật chất mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng các dụng cụ bình thường (hay còn gọi là dạ quang hoặc vật chất baryonic). Mặc dù được đề xuất trong những năm 1960 và 1990, vật chất tối và năng lượng tối vẫn là hai trong số những bí ẩn vũ trụ học vĩ đại nhất.
Cho rằng sự tồn tại của chúng là cần thiết để các mô hình vũ trụ hiện tại của chúng ta hoạt động, sự tồn tại của chúng chỉ được suy luận thông qua quan sát gián tiếp. Đây chính xác là những gì nhiệm vụ Euclid sẽ làm trong suốt nhiệm vụ sáu năm của nó, bao gồm nó thu được ánh sáng từ hàng tỷ thiên hà và đo lường nó cho những biến dạng tinh tế do sự hiện diện của khối lượng ở phía trước.
Cũng giống như cách đo ánh sáng nền có thể bị bóp méo bởi sự hiện diện của trường hấp dẫn giữa nó và người quan sát (tức là một thử nghiệm được tôn vinh theo thời gian đối với Thuyết tương đối rộng), sự hiện diện của vật chất tối sẽ gây ra ảnh hưởng hấp dẫn lên ánh sáng. Như Stadel đã giải thích, Vũ trụ mô phỏng của họ sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nhiệm vụ Euclid này - cung cấp một khuôn khổ sẽ được sử dụng trong và sau nhiệm vụ.
Để dự đoán các thành phần hiện tại có thể thực hiện một phép đo nhất định như thế nào, một Vũ trụ có các thiên hà càng gần càng tốt với Vũ trụ quan sát thực sự phải được tạo ra, ông nói. Danh mục thiên hà này được mô tả từ các mô hình thiên hà là những gì được tạo ra từ mô phỏng và sẽ được sử dụng theo cách này. Tuy nhiên, trong tương lai khi Euclid bắt đầu lấy dữ liệu, chúng ta cũng sẽ cần sử dụng các mô phỏng như thế này để giải quyết vấn đề nghịch đảo. Sau đó chúng ta sẽ cần có thể lấy Vũ trụ quan sát và xác định các thông số cơ bản của vũ trụ học; một kết nối hiện chỉ có thể được thực hiện với độ chính xác đủ bằng các mô phỏng lớn như kết nối chúng tôi vừa thực hiện. Đây là khía cạnh quan trọng thứ hai về cách thức hoạt động của mô phỏng như vậy [và] là trung tâm của nhiệm vụ Euclid.
Từ dữ liệu Euclid, các nhà nghiên cứu hy vọng có được thông tin mới về bản chất của vật chất tối, nhưng cũng khám phá ra vật lý mới vượt ra ngoài Mô hình chuẩn của vật lý hạt - tức là phiên bản sửa đổi của thuyết tương đối rộng hoặc một loại hạt mới. Như Stadel đã giải thích, kết quả tốt nhất cho nhiệm vụ sẽ là một trong đó kết quả thực hiện không phải phù hợp với mong đợi.
Trong khi đó, nó chắc chắn sẽ thực hiện các phép đo chính xác nhất về các thông số vũ trụ cơ bản (như lượng vật chất tối và năng lượng trong Vũ trụ) thú vị hơn nhiều là đo một thứ gì đó xung đột hoặc, ít nhất là, đang căng thẳng với Mô hình 'vật chất tối lạnh lambda tiêu chuẩn' hiện tại (LCDM), ông nói. Một trong những câu hỏi lớn nhất là liệu cái gọi là energy năng lượng tối của mô hình này thực sự là một dạng năng lượng, hay liệu nó được mô tả chính xác hơn bằng cách sửa đổi theo thuyết tương đối rộng của Einstein. Mặc dù chúng ta có thể bắt đầu vạch ra bề mặt của những câu hỏi như vậy, nhưng chúng rất quan trọng và có khả năng thay đổi vật lý ở mức độ rất cơ bản.
Trong tương lai, Stadel và các đồng nghiệp hy vọng sẽ thực hiện các mô phỏng về sự tiến hóa vũ trụ có tính đến cả vật chất tối và năng lượng tối. Một ngày nào đó, những khía cạnh kỳ lạ của tự nhiên này có thể tạo thành những trụ cột của vũ trụ học mới, một khía cạnh vượt ra ngoài vật lý của Mô hình Chuẩn. Trong khi đó, các nhà vật lý thiên văn từ khắp nơi trên thế giới có thể sẽ chờ đợi kết quả đầu tiên từ nhiệm vụ Euclid với hơi thở bị cắn.
Euclid là một trong một số nhiệm vụ hiện đang tham gia vào việc săn lùng vật chất tối và nghiên cứu về cách nó định hình Vũ trụ của chúng ta. Những người khác bao gồm Máy đo quang phổ từ tính Alpha (AMS-02) trên ISS, Khảo sát mức độ Kilo ESO (KiDS) và Máy va chạm Hardon lớn Cern. Với may mắn, những thí nghiệm này sẽ tiết lộ những mảnh ghép cho câu đố vũ trụ vẫn còn khó nắm bắt trong nhiều thập kỷ.
