Twee recordbrekende universumsimulaties volgen 13,4 biljoen donkere-materiedeeltjes
Kosmologen hebben een probleem dat bijna als een paradox klinkt: hoe beter hun telescopen worden, hoe moeilijker het wordt om te interpreteren wat ze zien. Donkere materie, de onzichtbare substantie waarvan wordt gedacht dat ze het grootste deel van de massa in het universum uitmaakt, geeft zelf geen licht. De structuur ervan wordt alleen indirect zichtbaar, via de manier waarop ze licht afbuigt en bepaalt waar sterrenstelsels zich vormen. Om die waarnemingen aan theorie te koppelen, bouwen onderzoekers enorme virtuele universums en laten ze die evolueren.
Dat is wat een team van het Amerikaanse Department of Energy’s Argonne National Laboratory zojuist op ongekende schaal heeft gedaan. Met behulp van Aurora, een van ‘s werelds eerste exascale-supercomputers, voltooiden de wetenschappers de twee grootste kosmologische simulaties ooit uitgevoerd, volgens een aankondiging waarover het Chinese medium Science and Technology Daily berichtte. Elke simulatie volgde de evolutie van 13,4 biljoen donkere-materiedeeltjes in een gebied van 28,6 miljard lichtjaar breed.
Het aantal is moeilijk voor te stellen. Ter vergelijking: eerdere toonaangevende simulaties volgden deeltjes in de orde van miljarden of enkele biljoenen. De sprong naar meer dan 13 biljoen deeltjes in één run betekent dat het virtuele universum veel fijnere structuren kan onderscheiden, kleine klonters donkere materie die anders in een statistische waas zouden vervagen. Die kleine structuren zijn belangrijk omdat ze hun sporen achterlaten in hoe sterrenstelsels clusteren en hoe donkere materie het licht van verre objecten vervormt.
De simulaties richten zich op een belangrijk doel: kosmische inflatie, de theorie dat het zeer vroege universum een korte, heftige uitbarsting van expansie doormaakte. Dat proces zou minuscule kwantumfluctuaties hebben uitgerekt tot de kiemen van de huidige grootschalige structuur. Door gesimuleerde universums met verschillende inflatiescenario’s te vergelijken met echte waarnemingen, kunnen astronomen beperken welke versies van de theorie standhouden.
Er is ook een praktisch voordeel. Een nieuwe generatie hemelonderzoeken brengt miljarden sterrenstelsels in kaart en meet subtiele vervormingen in hun vormen. Deze onderzoeken produceren enorme datasets, en om er kosmologische informatie uit te halen zijn even enorme theoretische voorspellingen nodig. De Aurora-runs zijn bedoeld als referentiebibliotheek voor die analyse, om onderzoekers te helpen echte signalen te scheiden van ruis en modelleringsartefacten.
Exascale computing, oftewel machines die meer dan een quintiljoen berekeningen per seconde kunnen uitvoeren, is een lang nagestreefde mijlpaal. Aurora, gevestigd in Argonne bij Chicago, is een van de eerste systemen die die drempel overschrijdt. Kosmologie is een van de showcase-workloads geworden, omdat simulaties van alleen de zwaartekracht van donkere materie rekenintensief maar relatief schoon te modelleren zijn, waardoor ze een ideale stresstest vormen voor nieuwe hardware.
Voor wereldwijde lezers is het verhaal een herinnering dat moderne astronomie steeds meer een computationele onderneming is. Telescopen verzamelen de fotonen, maar supercomputers zetten ze om in begrip. Naarmate observatoria in Chili, Hawaï en uiteindelijk de ruimte steeds grotere catalogi van sterrenstelsels genereren, verschuift de bottleneck van het verzamelen van gegevens naar het interpreteren ervan.
De resultaten van het Argonne-team zijn nog steeds simulaties, geen ontdekkingen, en hun wetenschappelijke waarde zal afhangen van hoe goed ze de werkelijkheid benaderen. Maar elke verdubbeling van het aantal deeltjes brengt het virtuele universum een beetje dichter bij het echte, en de grootste structuren in de kosmos worden nu op een machine in Illinois opnieuw gecreëerd, deeltje voor deeltje.