Uma equipe internacional de astrónomos realizou o que se acredita ser a maior simulação computacional cosmológica de sempre, rastreando não só a matéria escura, mas também a matéria comum (como planetas, estrelas e galáxias), dando-nos uma ideia de como o nosso universo pode ter evoluído.
A imagem de fundo mostra a distribuição atual da matéria em uma fatia através da maior simulação do FLAMINGO, que tem um volume cúbico de 2,8 Gpc (9,1 bilhões de anos-luz) de lado. A luminosidade da imagem de fundo fornece a distribuição atual da matéria escura, enquanto a cor codifica a distribuição dos neutrinos. As inserções mostram três zooms consecutivos centrados no aglomerado de galáxias mais massivo; em ordem, estes mostram a temperatura do gás, a densidade da matéria escura e uma observação virtual de raios X (de Schaye et al. 2023). Crédito: Josh Borrow, equipe FLAMINGO e Virgo Consortium. Licenciado CC-BY-4.0
As simulações do FLAMINGO calculam a evolução de todos os componentes do universo – matéria comum, matéria escura e energia escura – de acordo com as leis da física. À medida que a simulação avança, surgem galáxias virtuais e aglomerados de galáxias. Três artigos foram publicados no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : um descrevendo os métodos, outro apresentando as simulações e o terceiro examinando quão bem as simulações reproduzem a estrutura em grande escala do universo.
Instalações como o Telescópio Espacial Euclides recentemente lançado pela Agência Espacial Europeia (ESA) e o JWST da NASA recolhem quantidades impressionantes de dados sobre galáxias, quasares e estrelas. Simulações como o FLAMINGO desempenham um papel fundamental na interpretação científica dos dados, conectando previsões de teorias do nosso universo aos dados observados.
De acordo com a teoria, as propriedades de todo o nosso universo são definidas por alguns números chamados “ parâmetros cosmológicos ” (seis deles na versão mais simples da teoria). Os valores destes parâmetros podem ser medidos com muita precisão de várias maneiras.
Um desses métodos baseia-se nas propriedades da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), um fraco brilho de fundo que sobrou do universo primitivo. No entanto, estes valores não correspondem aos medidos por outras técnicas que se baseiam na forma como a força gravitacional das galáxias desvia a luz (lentes). Estas “tensões” poderão assinalar o fim do modelo padrão da cosmologia – o modelo da matéria escura e fria.
Simulações que também rastreiam matéria bariônica comum (também conhecida como matéria bariônica ) são muito mais desafiadoras e exigem muito mais poder de computação. Isto acontece porque a matéria comum – que representa apenas dezasseis por cento de toda a matéria do Universo – sente não só a gravidade, mas também a pressão do gás, o que pode fazer com que a matéria seja expelida das galáxias por buracos negros activos e supernovas no espaço intergaláctico.
A força destes ventos intergalácticos depende de explosões no meio interestelar e é muito difícil de prever. Além disso, a contribuição dos neutrinos, partículas subatómicas de massa muito pequena mas não precisamente conhecida, também é importante, mas o seu movimento não foi simulado até agora.
Os astrônomos completaram uma série de simulações de computador rastreando a formação de estruturas na matéria escura, matéria comum e neutrinos. Ph.D. o estudante Roi Kugel (Universidade de Leiden) explica: “O efeito dos ventos galácticos foi calibrado usando aprendizado de máquina, comparando as previsões de muitas simulações diferentes de volumes relativamente pequenos com as massas observadas de galáxias e a distribuição de gás em aglomerados de galáxias. ”
Os pesquisadores simularam o modelo que melhor descreve as observações de calibração com um supercomputador em diferentes volumes cósmicos e em diferentes resoluções. Além disso, variaram os parâmetros do modelo, incluindo a força dos ventos galácticos, a massa dos neutrinos e os parâmetros cosmológicos em simulações de volumes ligeiramente menores, mas ainda grandes.
A maior simulação utiliza 300 bilhões de elementos de resolução (partículas com massa de uma pequena galáxia) em um volume cúbico com bordas de dez bilhões de anos-luz. Acredita-se que esta seja a maior simulação computacional cosmológica com matéria comum já concluída. Matthieu Schaller, da Universidade de Leiden, disse: “Para tornar esta simulação possível, desenvolvemos um novo código, SWIFT, que distribui eficientemente o trabalho computacional em 30 mil CPUs”.
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