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Imagem da simulação da historia do universo feita pelo MIT MIT
Uma nova simulação mostra da evolução da matéria escura, das galáxias, estrelas e estruturas cósmicas ao longo dos primeiros 2 bilhões de anos do universo, com um nível de detalhe e volume sem precedentes. O projeto do Departamento de Física do MIT foi realizado com a ajuda do supercomputador Frontier, localizado no Oak Ridge National Laboratory.
Confira um trecho condensado do vídeo abaixo. Com o Big Bang, o universo surgiu como uma sopa quente e densa de elétrons e partículas subatômicas.
Esse plasma ionizado primordial, inicialmente menor do que um único átomo, expandiu-se e resfriou-se rapidamente. Nesse processo, as partículas presentes nessa "sopa" perderam velocidade o suficiente para se ligarem aos elétrons, formando hidrogênio eletricamente neutro.
À medida que esse hidrogênio neutro se acumulava, ele criava uma espécie de manto que impedia a passagem livre da luz e de outras formas de radiação. Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o universo mergulhou em uma "idade das trevas" cósmica.
Agora, uma nova simulação computacional oferece aos cientistas uma visão detalhada de como as primeiras galáxias, estrelas e outras estruturas podem ter surgido a partir daquele período. Confira o início da formação das galáxias abaixo.
Em um artigo publicado hoje no periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), físicos do MIT, da Universidade Harvard e de outras instituições apresentam o Lumina— uma simulação de grande volume e alta resolução que acompanha o universo primitivo, desde a idade das trevas até os 2 bilhões de anos seguintes de evolução cósmica.
Duas transformações fundamentais O Lumina abrange uma vasta região do universo primitivo, estendendo-se por 500 megaparsecs — cerca de 1,6 bilhão de anos-luz.
Nesse espaço, a simulação rastreia a evolução da matéria escura, do gás, das estrelas e da radiação (como os fótons), tanto em escalas cósmicas imensas quanto em níveis de detalhe que permitem observar o desenvolvimento de galáxias individuais. O vídeo apresenta um percurso através de um halo massivo, partindo do ambiente cósmico em larga escala em direção às regiões internas densas do halo, onde galáxias individuais tornam-se visíveis ao final da sequência.
A visualização exibe a distribuição da densidade de matéria escura, densidade de gás, temperatura do gás, metalicidade do gás e a luz estelar em todo o sistema. Ao longo dos 2 bilhões de anos simulados pelo Lumina, é possível observar o surgimento de duas transformações cruciais na história cósmica: a reionização do hidrogênio e a reionização do hélio.
A reionização do hidrogênio é um período em que as primeiras estrelas emitiram luz ultravioleta suficiente para interagir com o hidrogênio neutro, removendo seu elétron. Essa “reionização” impediu que o hidrogênio absorvesse fótons, permitindo, em vez disso, que a luz viajasse livremente.
A reionização do hidrogênio ajudou a dissipar o véu de hidrogênio neutro — um processo que o Lumina registra em detalhes pela primeira vez. A simulação também acompanha a reionização do hélio, um processo semelhante ao do hidrogênio, no qual luz de energia muito mais elevada fragmenta o hélio neutro.
Em suas simulações detalhadas, o Lumina revelou que a reionização do hidrogênio foi provavelmente impulsionada pela luz proveniente das primeiras galáxias e estrelas. Por outro lado, a reionização do hélio foi alimentada por buracos negros supermassivos primordiais, muito mais energéticos, durante suas fases ativas de acreção.
Esse conjunto representa a primeira vez que uma simulação registra tanto a reionização do hidrogênio quanto a do hélio. “O Lumina abrange desde a formação de estrelas e galáxias em pequena escala até a reionização do hidrogênio e do hélio em grande escala, em um volume 100 vezes maior do que o das melhores simulações anteriores”, afirma o autor do estudo, Mark Vogelsberger, professor de física no MIT.
Ele e seus colegas estão disponibilizando o Lumina para a comunidade científica, permitindo que pesquisadores comparem suas simulações detalhadas da evolução das primeiras estruturas cósmicas com observações feitas por telescópios novos e futuros. Assim, será possível começar a compreender os processos que moldaram as primeiras galáxias, estrelas e estruturas do universo.
Os coautores do estudo vinculados ao MIT são Xuejian (Jacob) Shen e Teodora-Elena Bluichi. Outros autores incluem o primeiro autor Oliver Zier (ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Vogelsberger), Rongrong Liu, Sonja Koehler e Lars Hernquist, do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian; Aaron Smith, da Universidade do Texas em Dallas; Rahul Kannan, da Universidade York (Canadá); e Volker Springel e Rüdiger Pakmor, do Instituto Max Planck de Astrofísica (Alemanha).
Computação cósmica O nome Lumina deriva da palavra latina que significa “luzes”.
No cerne do Lumina está o IllustrisTNG, desenvolvido anteriormente por cientistas do MIT e de outras instituições — incluindo membros da própria equipe do Lumina. O IllustrisTNG é uma simulação em larga escala que rastreia as interações da matéria escura, do gás e de outros processos envolvidos na formação de galáxias, desde o Big Bang até os dias atuais.
Ao construir o Lumina, a equipe aprimorou o código do IllustrisTNG para permitir que a simulação rastreasse a formação de galáxias com o mesmo nível de detalhamento, porém abrangendo um volume muito maior. Eles combinaram esse modelo aprimorado de galáxias com um modelo de transporte de radiação — que simula como diferentes formas de radiação, a exemplo da luz ultravioleta, interagem em escalas cósmicas vastíssimas — para capturar processos como a reionização do hidrogênio.
A nova e aprimorada simulação resolve detalhes extremamente minuciosos em escalas vastas. Na prática, a simulação abrange meio trilhão de elementos individuais — incluindo partículas de matéria escura e células de gás —, apresentando uma resolução cerca de 30 vezes superior à do IllustrisTNG.
O Lumina captura todos esses detalhes e os faz evoluir ao longo do tempo em uma região imensa, de aproximadamente 500 megaparsecs — um volume 100 vezes maior do que o de simulações anteriores. Realizar os cálculos para cada célula, ao longo de 2 bilhões de anos de tempo cósmico e abrangendo escalas que vão de dimensões extremamente grandes a minúsculas, exige um poder computacional considerável.
A equipe executou o Lumina no Frontier, um dos supercomputadores mais potentes do mundo, localizado no Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee. “Em sua capacidade máxima, o cálculo reúne o equivalente a mais de 100.000 núcleos de CPU e cerca de 15.000 GPUs”, afirma Shen.
“Fazer com que todos esses processadores se comuniquem de forma eficiente, enquanto processam a evolução contínua de trilhões de elementos de informação que interagem entre si, é, por si só, um feito extraordinário da engenharia computacional.” Zoom completo
O Lumina inicia suas simulações cerca de 45 milhões de anos após o Big Bang, em plena “idade das trevas” — período em que o hidrogênio neutro predominava no universo primordial. Os pesquisadores definiram as condições iniciais da simulação com base no que os físicos teorizam ter existido durante esse período cósmico obscuro.
Em seguida, o Lumina calcula como a matéria daquela época — na forma de gás e matéria escura — interage ao longo do meio trilhão de células que compõem a simulação. Simultaneamente, o sistema determina onde e como a radiação (como a luz ultravioleta emitida por estrelas) surge e interage com o ambiente ao seu redor.
No site do projeto, a equipe disponibiliza diversos vídeos que ilustram as diferentes escalas, períodos temporais, processos físicos e camadas de estruturas cósmicas simuladas pelo Lumina. Entre os exemplos, há um “zoom” que parte da vasta região do universo simulada até chegar a uma única galáxia em formato de disco.
...e uma sequência em *time-lapse* de todo o volume, abrangendo mais de 2 bilhões de anos, que captura o padrão do hidrogênio à medida que ele é reionizado ao longo do tempo. “Por um lado, a simulação acompanha a evolução da matéria escura e do gás no universo; por outro, rastreia também a propagação da radiação”, explica Zier.
“Observamos a matéria escura e o gás começando a se agrupar nessas regiões de sobre-densidade. Ao ampliar a imagem, vemos o gás caindo nesses halos de matéria escura.
Com uma ampliação ainda maior, percebemos que é aí que se formam as primeiras galáxias. E, dentro dessas primeiras galáxias, surgem as primeiras estrelas.
Essas estrelas, por sua vez, emitem radiação. A simulação rastreia essa radiação, e podemos ampliar a visão para observar como ela se propaga a partir das estrelas, atravessando o universo, até que, em determinado ponto, ioniza parte do hidrogênio neutro.”
“Outras simulações não permitem um nível de detalhamento tão profundo quanto esta”, observa Vogelsberger. “A diferença entre as menores e as maiores escalas que simulamos é superior à de qualquer outra simulação.”
Para o futuro, a equipe planeja utilizar o Lumina para mapear a estrutura em larga escala do universo primordial. A simulação também pode auxiliar na previsão de padrões de ondas gravitacionais que galáxias primitivas e buracos negros poderiam gerar.
Tudo o que o Lumina simula poderá, em breve, ser comparado a observações reais obtidas por telescópios novos ou que entrarão em operação futuramente. “Uma das grandes vantagens do Lumina é a sua escala monumental”, diz Shen.
“Ele gera populações imensas de galáxias simuladas, permitindo, finalmente, realizar comparações com as vastas amostras de galáxias que serão observadas pelos próximos levantamentos astronômicos.” Esta pesquisa contou com o apoio, em parte, da NASA e da National Science Foundation (Fundação Nacional da Ciência), utilizando recursos da Oak Ridge Leadership Computing Facility, no Oak Ridge National Laboratory — instalação mantida pelos programas de Pesquisa em Computação Científica Avançada (Advanced Scientific Computing Research do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
Frontier supercomputer at Oak Ridge National Laboratory
