Desde tempos imemoriais, filósofos e estudiosos têm procurado determinar como a existência começou. Com o nascimento da astronomia moderna, essa tradição continuou e deu origem ao campo conhecido como cosmologia. E com a ajuda da supercomputação, os cientistas são capazes de realizar simulações que mostram como as primeiras estrelas e galáxias se formaram em nosso Universo e evoluíram ao longo de bilhões de anos.
Até recentemente, o estudo mais extenso e completo era a simulação “Illustrus”, que analisava o processo de formação de galáxias ao longo dos últimos 13 bilhões de anos. Procurando quebrar seu próprio recorde, a mesma equipe começou recentemente a conduzir uma simulação conhecida como "Illustris, The Next Generation" ou "IllustrisTNG". A primeira rodada dessas descobertas foi divulgada recentemente e espera-se que várias outras sejam seguidas.
Esses achados apareceram em três artigos publicados recentemente no Avisos mensais da Royal Astronomical Society. A equipe Illustris é formada por pesquisadores do Instituto Heidelberg de Estudos Teóricos, dos Institutos Max-Planck de Astrofísica e Astronomia, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Universidade de Harvard e do Centro de Astrofísica Computacional em Nova York.
Usando o supercomputador Hazel Hen no Centro de Computação de Alto Desempenho Stuttgart (HLRS) - uma das três instalações alemãs de supercomputação de classe mundial que compõem o Gauss Center for Supercomputing (GCS) - a equipe realizou uma simulação que ajudará a verificar e expandir no conhecimento experimental existente sobre os estágios iniciais do Universo - isto é, o que aconteceu de 300.000 anos após o Big Bang até os dias atuais.
Para criar essa simulação, a equipe combinou equações (como a Teoria da Relatividade Geral) e dados de observações modernas em um cubo computacional maciço que representava uma grande seção transversal do Universo. Para alguns processos, como a formação de estrelas e o crescimento de buracos negros, os pesquisadores foram forçados a confiar em suposições baseadas em observações. Eles então empregaram modelos numéricos para pôr em movimento esse universo simulado.
Comparado à simulação anterior, o IllustrisTNG consistia em 3 universos diferentes em três resoluções diferentes - a maior das quais media 1 bilhão de anos-luz (300 megaparsegs) de diâmetro. Além disso, a equipe de pesquisa incluiu uma contabilidade mais precisa dos campos magnéticos, melhorando a precisão. No total, a simulação usou 24.000 núcleos no supercomputador Hazel Hen por um total de 35 milhões de horas.
Como o professor Volker Springel, professor e pesquisador do Instituto de Estudos Teóricos Heidelberg e principal pesquisador do projeto, explicou em um comunicado à imprensa do Gauss Center:
“Os campos magnéticos são interessantes por várias razões. A pressão magnética exercida no gás cósmico pode ocasionalmente ser igual à pressão térmica (temperatura), o que significa que, se você negligenciar isso, sentirá falta desses efeitos e acabará comprometendo seus resultados. ”
Outra grande diferença foi a inclusão da física atualizada dos buracos negros, com base em recentes campanhas de observação. Isso inclui evidências que demonstram uma correlação entre buracos negros supermassivos (SMBHs) e evolução galáctica. Em essência, sabe-se que as SMBHs emitem uma tremenda quantidade de energia na forma de radiação e jatos de partículas, que podem ter um efeito de parada na formação de estrelas em uma galáxia.
Embora os pesquisadores estivessem certamente cientes desse processo durante a primeira simulação, eles não consideraram como ele pode impedir completamente a formação de estrelas. Ao incluir dados atualizados sobre os campos magnéticos e a física dos buracos negros na simulação, a equipe viu uma maior correlação entre os dados e as observações. Portanto, eles estão mais confiantes com os resultados e acreditam que ela representa a simulação mais precisa até o momento.
Mas, como explicou o Dr. Dylan Nelson - físico do Instituto de Astronomia Max Planck e membro do llustricTNG -, simulações futuras provavelmente serão ainda mais precisas, assumindo que os avanços nos supercomputadores continuem:
“O aumento da memória e dos recursos de processamento nos sistemas de próxima geração nos permitirá simular grandes volumes do universo com maior resolução. Grandes volumes são importantes para a cosmologia, entendendo a estrutura em larga escala do universo e fazendo previsões firmes para a próxima geração de grandes projetos observacionais. A alta resolução é importante para melhorar nossos modelos físicos dos processos em andamento nas galáxias individuais em nossa simulação. ”
Essa última simulação também foi possível graças ao amplo suporte fornecido pela equipe do GCS, que ajudou a equipe de pesquisa em questões relacionadas à sua codificação. Foi também o resultado de um grande esforço colaborativo que reuniu pesquisadores de todo o mundo e os emparelhou com os recursos necessários. Por fim, mas não menos importante, mostra como o aumento da colaboração entre pesquisa aplicada e pesquisa teórica leva a melhores resultados.
Olhando para o futuro, a equipe espera que os resultados dessa última simulação sejam ainda mais úteis que a anterior. O lançamento original dos dados da Illustris ganhou mais de 2.000 usuários registrados e resultou na publicação de 130 estudos científicos. Dado que este é mais preciso e atualizado, a equipe espera encontrar mais usuários e resultar em pesquisas ainda mais inovadoras.
Quem sabe? Talvez um dia possamos criar uma simulação que capture a formação e evolução do nosso Universo com total precisão. Enquanto isso, aproveite este vídeo da primeira Illustris Simulation, cortesia do membro da equipe e do físico do MIT Mark Vogelsberger:
