Dua Simulasi Alam Semesta Pemecah Rekor Melacak 13,4 Triliun Partikel Materi Gelap

Kosmolog memiliki masalah yang terdengar hampir seperti paradoks: semakin baik teleskop mereka, semakin sulit menafsirkan apa yang mereka lihat. Materi gelap, zat tak terlihat yang diyakini membentuk sebagian besar massa di alam semesta, tidak memancarkan cahaya sendiri. Strukturnya hanya terlihat secara tidak langsung, melalui cara ia membelokkan cahaya dan membentuk tempat galaksi terbentuk. Untuk menghubungkan pengamatan tersebut dengan teori, para peneliti membangun alam semesta virtual yang luas dan membiarkannya berevolusi.

Itulah yang baru saja dilakukan tim di Laboratorium Nasional Argonne milik Departemen Energi AS dalam skala yang belum pernah terjadi sebelumnya. Menggunakan Aurora, salah satu superkomputer exascale pertama di dunia, para ilmuwan menyelesaikan dua simulasi kosmologis terbesar yang pernah dijalankan, menurut pengumuman yang dilaporkan oleh media Tiongkok Science and Technology Daily. Setiap simulasi melacak evolusi 13,4 triliun partikel materi gelap di wilayah selebar 28,6 miliar tahun cahaya.

Angka itu sulit dibayangkan. Sebagai perbandingan, simulasi unggulan sebelumnya melacak partikel yang berjumlah miliaran atau triliunan rendah. Melompat ke lebih dari 13 triliun partikel dalam satu proses berarti kosmos virtual dapat mengurai struktur yang jauh lebih halus, gumpalan kecil materi gelap yang jika tidak mungkin akan kabur menjadi kabut statistik. Struktur kecil itu penting karena meninggalkan jejak pada cara galaksi bergerombol dan bagaimana materi gelap mendistorsi cahaya objek jauh.

Simulasi ini ditujukan pada target utama: inflasi kosmik, teori bahwa alam semesta sangat awal mengalami ledakan ekspansi singkat yang dahsyat. Proses itu akan meregangkan fluktuasi kuantum kecil menjadi benih struktur skala besar saat ini. Dengan membandingkan alam semesta simulasi dengan skenario inflasi yang berbeda terhadap pengamatan nyata, astronom dapat mempersempit versi teori mana yang bertahan.

Ada juga manfaat praktisnya. Generasi baru survei langit memetakan miliaran galaksi dan mengukur distorsi halus pada bentuknya. Survei ini menghasilkan kumpulan data yang sangat besar, dan untuk menggali informasi kosmologis darinya diperlukan prediksi teoretis yang sama besarnya. Proses Aurora dimaksudkan untuk menjadi pustaka referensi bagi analisis tersebut, membantu peneliti memisahkan sinyal asli dari noise dan artefak pemodelan.

Komputasi exascale, yang berarti mesin yang mampu melakukan lebih dari satu kuintiliun kalkulasi per detik, telah lama menjadi tonggak yang dicari. Aurora, yang berbasis di Argonne dekat Chicago, adalah salah satu sistem pertama yang melewati ambang tersebut. Kosmologi telah menjadi salah satu beban kerja unggulannya, karena simulasi materi gelap yang hanya melibatkan gravitasi menuntut komputasi berat tetapi relatif bersih untuk dimodelkan, sehingga menjadikannya uji stres ideal bagi perangkat keras baru.

Bagi pembaca global, kisah ini adalah pengingat bahwa astronomi modern semakin menjadi usaha komputasional. Teleskop mengumpulkan foton, tetapi superkomputer mengubahnya menjadi pemahaman. Saat observatorium di Chili, Hawaii, dan akhirnya di luar angkasa menghasilkan katalog galaksi yang semakin besar, hambatan beralih dari mengumpulkan data menjadi menafsirkannya.

Hasil tim Argonne masih berupa simulasi, bukan penemuan, dan nilai ilmiahnya akan bergantung pada seberapa baik hasil itu cocok dengan kenyataan. Namun setiap penggandaan jumlah partikel membawa alam semesta virtual sedikit lebih dekat ke yang nyata, dan struktur terbesar di kosmos kini sedang diciptakan ulang di sebuah mesin di Illinois, satu partikel demi satu partikel.