宇宙を理解し、数十億年の間に宇宙がどのように進化したかを理解することは、かなり困難な作業です。一方では、何十億光年もの深宇宙まで（したがって、何十億年もさかのぼって）入念に調査し、その大規模構造が時間とともにどのように変化したかを確認します。次に、（既知の物理学に基づいて）どのように見えるかをシミュレーションし、それらが一致するかどうかを確認するには、大量のコンピューティング能力が必要です。
これは、チューリッヒ大学（UZH）の天体物理学者のチームが「Piz Daint」スーパーコンピューターを使用して行ったことです。この洗練されたマシンで、彼らは私たちの宇宙全体の形成をシミュレートし、約250億の仮想銀河のカタログを作成しました。このカタログは、2020年にESAのユークリッドミッションに搭載され、ダークマターの調査のために6年かけて宇宙探査を行います。
チームの作業は、ジャーナルに再登場した研究で詳述されていました 計算天体物理学と宇宙論。 ダグラスポッターが率いるチームは、過去3年間を費やして最適化されたコードを開発し、（前例のない精度で）暗黒物質のダイナミクスと宇宙での大規模構造の形成を記述しました。
PKDGRAV3と呼ばれるコードは、最新のスーパーコンピューティングアーキテクチャの利用可能なメモリと処理能力を最適に使用するように特別に設計されました。スイス国立コンピューティングセンター（CSCS）にある「Piz Daint」スーパーコンピューターで80時間実行された後、2兆個のマクロ粒子の仮想宇宙を生成することができました。十億の仮想銀河が抽出されました。
彼らの計算に固有なのは、暗黒物質流体がそれ自体の重力の下で進化して、「暗黒物質ハロー」として知られる小さな濃度の形成につながる方法でした。銀河の目に見える範囲をはるかに超えて広がると考えられているこれらのハロー内にある-天の川のような銀河が形成されたと考えられています。
当然、これはかなりの課題を提示しました。暗黒物質の構造がどのように進化するかを正確に計算するだけでなく、これが宇宙の他のすべての部分にどのように影響するかを検討する必要もありました。 UZHの理論天体物理学および宇宙論センターの教授であり、この論文の共著者であるヨアヒムシュテーデルは、電子メールでSpace Magazineに次のように述べています。
「このような暗黒物質の「破片」を2兆回シミュレーションしました。これは、このタイプの計算の中でこれまでで最大の計算です。これを行うには、「高速多極法」と呼ばれる計算手法を使用し、スイス国立スーパーコンピューティングセンターにある世界最高速のコンピューターの1つである「Piz Daint」を使用する必要がありました。 （GPU）シミュレーションに必要な浮動小数点計算を大幅に高速化できます。暗黒物質は、暗黒物質「ハロー」に集まり、次に銀河を宿します。私たちの計算は、ハローを含む暗黒物質の分布と特性を正確に生成しますが、すべての特性を持つ銀河は、モデルを使用してこれらのハロー内に配置する必要があります。タスクのこの部分は、Pablo FossalbaとFrancisco Castanderの指揮の下、バルセロナの同僚によって実行されました。これらの銀河は、予想される色、空間分布、輝線（Euclidで観測されるスペクトルにとって重要）を持ち、Euclidの機器パイプライン全体のさまざまな系統およびランダムエラーをテストおよび校正するために使用できます。」
計算の精度が高いため、チームは主に「暗い宇宙」を探査することを目的とする欧州宇宙機関のユークリッドミッションの要件を満たすカタログを作成することができました。この種の研究は、主に宇宙の大部分が暗いため、最大規模の宇宙を理解するために不可欠です。
ダークマターで構成される宇宙の23％とダークエネルギーで構成される72％の間で、実際には宇宙の20分の1のみが通常の楽器（別名「明るい」）で見ることができる物質で構成されていますまたはバリオン物質）。 1960年代と1990年代にそれぞれ提案されたにもかかわらず、暗黒物質と暗黒エネルギーは最大の宇宙論の謎の2つのままです。
私たちの現在の宇宙論モデルが機能するためにはそれらの存在が必要であることを考えると、それらの存在はこれまで間接的な観察によってのみ推測されてきました。これは、ユークリッドミッションが6年間のミッションで何をするかというものであり、何十億もの銀河からの光を捕らえ、フォアグラウンドの質量の存在によって引き起こされる微妙な歪みを測定することからなります。
背景光を測定すると、それと観測者の間に重力場が存在することによって歪む可能性と同じように（つまり、一般相対性理論の古くからあるテスト）、暗黒物質の存在が光に重力の影響を及ぼします。シュテーデルが説明したように、彼らのシミュレートされた宇宙は、このユークリッドミッションで重要な役割を果たし、ミッションの最中および後に使用されるフレームワークを提供します。
「現在のコンポーネントが特定の測定をどれだけうまく実行できるかを予測するには、実際に観測された宇宙に可能な限り近い銀河で構成された宇宙を作成する必要があります」と彼は言った。 「この銀河の「模擬」カタログは、シミュレーションから生成されたものであり、現在この方法で使用されます。ただし、将来、ユークリッドがデータの取得を開始するときに、このようなシミュレーションを使用して逆問題を解決する必要もあります。次に、観測された宇宙を取り、宇宙論の基本的なパラメータを決定できるようにする必要があります。現在接続しているのは、今実行したような大規模なシミュレーションでのみ十分な精度で作成できる接続です。これは、そのようなシミュレーション作業がユークリッドミッションの中心となる方法の2番目の重要な側面です。」
ユークリッドのデータから、研究者は暗黒物質の性質に関する新しい情報を取得するだけでなく、粒子物理学の標準モデルを超えた新しい物理学、つまり、一般相対性理論の新しいバージョンや新しいタイプの粒子を発見したいと考えています。シュテーデルが説明したように、ミッションの最良の結果は、結果が ない 期待に沿う。
「宇宙の暗黒物質やエネルギーの量など、基本的な宇宙パラメータの最も正確な測定は確かに行われますが、競合するものを測定することや、少なくとも、現在の「標準ラムダコールドダークマター」（LCDM）モデル」と彼は言った。 「最大の問題の1つは、このモデルのいわゆる「ダークエネルギー」が実際にエネルギーの形であるか、それともアインシュタインの一般相対性理論の修正によってより正確に記述されるかどうかです。私たちはそのような質問の表面を引っ掻き始めたばかりかもしれませんが、それらは非常に重要であり、非常に基本的なレベルで物理学を変える可能性があります。」
将来的には、シュタデルと彼の同僚は、暗黒物質の両方を考慮に入れて宇宙進化のシミュレーションを実行したいと考えています そして 暗黒エネルギー。いつの日か、これらの自然のエキゾチックな側面は、新しい宇宙論の柱を形成する可能性があり、それは標準モデルの物理学を超えるものです。その間、世界中の天体物理学者たちは、ベイトブレスを使ったユークリッド計画の最初のバッチの結果を待っているでしょう。
ユークリッドは、暗黒物質の探索とそれが私たちの宇宙をどのように形作ったかの研究に現在従事しているいくつかのミッションの1つです。その他には、ISSでのAlpha Magnetic Spectrometer（AMS-02）実験、ESOのKilo Degree Survey（KiDS）、およびCERNのLarge Hardon Colliderがあります。運が良ければ、これらの実験は、数十年の間とらえどころのないままになっている宇宙論的パズルの断片を明らかにするでしょう。
