Cientistas criam imenso universo virtual com um supercomputador

O supercomputador demorou apenas 80 horas para simular o universo. O modelo deve permitir aos engenheiros que trabalham no satélite Euclid a planejar melhor uma estratégia de observação e minimizar os erros antes que o...

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O supercomputador demorou apenas 80 horas para simular o universo. O modelo deve permitir aos engenheiros que trabalham no satélite Euclid a planejar melhor uma estratégia de observação e minimizar os erros antes que o satélite embarque em sua missão de coleta de dados de seis anos a partir de 2020.

Além de estudar o que podemos observar hoje, os cientistas confiam em simulações para entender mais sobre o passado e o futuro do Universo — e temos um novo recorde para a maior simulação de universo já executada.

Um supercomputador gigante tem sido usado para modelar cerca de 25 bilhões de galáxias virtuais, reunidas a partir de cálculos envolvendo cerca de 2 trilhões de partículas digitais. E a simulação comporta uma quantidade impressionante de dados.

A simulação, desenvolvida por astrofísicos da Universidade de Zurique, na Suíça, será usada para calibrar experimentos a bordo do satélite Euclid, com lançamento previsto para 2020 e encarregado de investigar os mistérios da matéria escura e da energia escura.

A representação artística retratando a nave espacial Euclid da ESA. Crédito: ESA/C. Carreau
A representação artística retratando a nave espacial Euclid da ESA. Euclid é uma missão pioneira para observar bilhões de galáxias fracas e investigar a origem da expansão acelerada do Universo, bem como a natureza misteriosa da energia escura, da matéria escura e da gravidade. Está programado para ser lançado em 2020. Crédito: ESA/C. Carreau

“A natureza da energia escura continua a ser um dos principais enigmas não resolvidos na ciência moderna”, explica Romain Teyssier, professor de astrofísica computacional e um dos membros da equipe, em um comunicado.

O Euclid não poderá ver a matéria escura diretamente — é notoriamente indescritível — mas será capaz de observar os efeitos da matéria escura no resto do Universo, e os cálculos desse modelo virtual ajudarão o satélite a saber o que deve ser procurando quando for posto para em órbita.

“Quanto mais precisas forem estas previsões teóricas, mais eficientes serão os futuros levantamentos em grande escala na resolução dos mistérios do universo sombrio”, escrevem os pesquisadores.

Parte da simulação, com halos de matéria escura indicadas com setas amarelas. Imagem: Joachim Stadel, UZH
Parte da simulação, com halos de matéria escura indicadas por setas amarelas. Imagem: Joachim Stadel, UZH

Para alcançar a melhor precisão possível para a simulação, os cientistas passaram três anos desenvolvendo um novo tipo de código chamado PKDGRAV3, projetado especificamente para funcionar sem problemas na arquitetura dos supercomputadores mais recentes.

Usando o código de prgramação PKDGRAV3, os pesquisadores conseguiram executar uma simulação cosmológica de dois trilhões de partículas no Piz Daint, um supercomputador 16-petaflop instalado na CSCS na Suíça. E simularam oito trilhões de partículas em Titan, uma máquina 27-teraflop alojada no Oak Ridge National Lab.

Ao otimizar cuidadosamente os algoritmos utilizados para simular o Universo, a equipe conseguiu reduzir o tempo necessário para imaginar cerca de 13,8 bilhões de anos de história do espaço profundo desde o Big Bang.

Quando testado no supercomputador Piz Daint no Centro Nacional Suíço de Supercomputação, o código apresentou sua simulação recorde em apenas 80 horas.

O supercomputador "Piz Daint” do Swiss National Computing Center. Crédito: CSCS
O supercomputador “Piz Daint” do Swiss National Computing Center. Crédito: CSCS

Os cálculos que ele executa analisam a maneira como a matéria escura evolui sob sua gravidade, formando o que se conhece como halos de matéria escura — pequenas concentrações de matéria escura que os astrônomos acreditam que rodeiam galáxias como a nossa Via Láctea.

À medida que satélite Euclid atravessa o espaço na próxima década, ele capturará a luz de bilhões de galáxias, mas o que realmente estará procurando é pequenas mudanças naquela luz causada pela massa invisível que é matéria escura. É como procurar distorções de luz através de um painel de vidro irregular, dizem os pesquisadores.

Com base em observações do modo como a expansão do Universo está se acelerando, os cientistas pensam que a matéria escura e a energia escura representam cerca de 95% do nosso Universo, com os outros 5% compondo o que realmente podemos ver.

Quando entra em órbita, o Euclid vai dar uma olhada mais atenta, e o novo código de simulação da Suíça o ajudará a entender o que mede.

A natureza da energia escura continua sendo um dos principais enigmas não resolvidos na ciência moderna. Romain Teyssier, professor de astrofísica computacional da UZH

Graças aos avanços que estamos vendo em quão longe no espaço podemos ver e com que rapidez podemos processar os dados que conseguimos de volta, o cerco está se fechando na busca pela matéria escura.

“O Euclid realizará um mapa tomográfico do nosso Universo, rastreando no tempo mais de 10 bilhões de anos de evolução do cosmos”, diz um dos integrantes da equipe responsável pela pesquisa, Joachim Stadel.

A pesquisa foi publicada no periódico Computational Astrophysics and Cosmology.

Referências:

  1. POTTER, Douglas; STADEL, Joachim; TEYSSIER, Romain. PKDGRAV3: beyond trillion particle cosmological simulations for the next era of galaxy surveys. Computational Astrophysics and Cosmology, 2017. DOI: 10.1186/s40668-017-0021-1
  2. University of Zurich. “The Largest Virtual Universe Ever Simulated”. Disponível em: <http://www.media.uzh.ch/en/Press-Releases/2017/Virtual-Kosmos.html> Data de acesso: 14/06/2017

 

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