Um dos maiores supercomputadores do mundo fez a maior simulação do Universo

Compreender a origem e a evolução do Universo é uma das principais questões da Astronomia e da Cosmologia. Para isso, modelos cosmológicos são propostos de forma a explicar as observações obtidas por telescópios que descrevem a evolução do Universo. Os modelos cosmológicos são baseados na Relatividade Geral e na composição do Universo como energia escura, matéria escura, matéria bariônica e interações fundamentais.

Para testar os modelos cosmológicos e os valores de cada componente é necessário o uso de simulações cosmológicas. As simulações se baseiam em resolver equações da Relatividade Geral junto com as componentes do Universo. A ideia é testar parâmetros e resolver as equações para diferentes combinações e comparar com os dados observacionais obtidos em telescópios e observatórios.

No entanto, simular realisticamente exige um esforço computacional muito grande e supercomputadores são necessários para resolver. Recentemente, foi anunciado que o supercomputador Frontier foi utilizado para realizar a maior simulação cosmológica já feita. A simulação foi feita por cientistas do Argonne National Laboratory que publicaram resultados em uma press-release no final de novembro.

Modelos cosmológicos

Utilizando dados observacionais e equações da Física é possível construir modelos cosmológicos para explicar a origem e evolução do Universo. Vários modelos já foram propostos para explicar os dados observacionais, o modelo mais aceito atualmente é chamado de Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM). Esse modelo descreve não só a expansão acelerada do Universo como a origem sendo o Big Bang.

A matéria escura é uma componente que não interage com a luz e a presença dela é detectada de forma indireta por efeitos gravitacionais. Já a energia escura é associada com a aceleração da expansão cósmica. As duas componentes, junto com a matéria bariônica, moldam a estrutura do Universo e como ocorre a expansão e evolução. Por causa da limitação de dados observacionais, encontrar respostas é um desafio.

Frontier

Como só temos um Universo, só é possível comparar com dados obtidos do mesmo Universo. Para conseguir compreender a evolução e o impacto dos parâmetros é necessário o uso de simulações computacionais. Por causa da complexidade dessas simulações é necessário computadores de alto desempenho. Um dos maiores é o supercomputador Frontier, localizado no Oak Ridge National Laboratory, nos Estados Unidos.

O Frontier foca justamente em realizar simulações científicas que necessitam de processamento alto. Principalmente as simulações cosmológicas detalhadas com diferentes parâmetros. Com a resolução alta que o Frontier permite, as simulações cosmológicas permitem que astrônomos estudem estruturas galácticas e influência da matéria e energia escura em detalhes. Até mesmo objetos como buracos negros podem ser estudados com simulações do Frontier.

Simulações

No passado, a equipe do Argonne National Laboratory realizou três simulações com diferentes modelos cosmológicos. Cada simulação foi batizadas com nomes de planetas do universo Star Trek. A simulação Qo'nos foi feita usando o ΛCDM como base, a simulação Vulcan incluía a descrição de neutrinos mais massivos e Ferenginar onde a energia escura muda ao longo do tempo. Apesar de limitações dessas simulações, alguns resultados foram encontrados como mudança no agrupamento de galáxias.

Algumas das limitações incluía a falta da dinâmica de gases, formação de estrelas e outras interações. Recentemente, pesquisadores utilizaram o Frontier para realizar simulações que incorporava não só a gravidade como também a matéria escura, energia escura, formação de estrelas, buracos negros e galáxias. É a melhor e a maior simulação do Universo já feita.

Como energia escura impacta na evolução do Universo?

Um dos principais estudos com essa simulação é entender como a quantidade de energia escura e matéria escura impactam na evolução do Universo. A matéria escura tem papel importante em escalas galácticas e no agrupamento delas na rede cósmica. Já a energia escura possui um papel em escalas cosmológicas. Curiosamente, as duas tem papeis opostos sendo um atrativo e o outro de afastamento.

A combinação das duas influencia na formação de galáxias e aglomerados de galáxias por isso compreender essas componentes é importante. Além disso, outras componentes como matéria bariônica e objetos como buracos negros também são necessários para descrever Universo de forma realista. As simulações do Frontier serão disponibilizadas para que outros grupos de pesquisadores possam estudar os dados.

Referência da notícia

Record-breaking run on Frontier sets new bar for simulating the universe in the exascale era