Compreender o Universo e como ele evoluiu ao longo de bilhões de anos é uma tarefa bastante assustadora. Por um lado, envolve olhar meticulosamente bilhões de anos-luz para o espaço profundo (e, portanto, bilhões de anos no tempo) para ver como sua estrutura em larga escala mudou ao longo do tempo. Em seguida, são necessárias enormes quantidades de poder de computação para simular como deve ser (com base na física conhecida) e ver se elas correspondem.
Foi o que uma equipe de astrofísicos da Universidade de Zurique (UZH) fez usando o supercomputador "Piz Daint". Com esta máquina sofisticada, eles simularam a formação de todo o nosso Universo e produziram um catálogo de cerca de 25 bilhões de galáxias virtuais. Este catálogo será lançado a bordo da missão Euclides da ESA em 2020, que passará seis anos investigando o Universo para investigar a matéria escura.
O trabalho da equipe foi detalhado em um estudo que apareceu repetidamente na revista Astrofísica Computacional e Cosmologia. Liderada por Douglas Potter, a equipe passou os últimos três anos desenvolvendo um código otimizado para descrever (com precisão sem precedentes) a dinâmica da matéria escura, bem como a formação de estruturas de grande escala no Universo.
O código, conhecido como PKDGRAV3, foi projetado especificamente para usar de maneira otimizada a memória disponível e o poder de processamento das arquiteturas modernas de supercomputação. Depois de ser executado no supercomputador “Piz Daint” - localizado no Centro Nacional de Computação Suíço (CSCS) - por um período de apenas 80 horas, conseguiu gerar um universo virtual de dois trilhões de macropartículas, das quais um catálogo de 25 bilhões de galáxias virtuais foram extraídas.
Intrínseco a seus cálculos era a maneira pela qual o fluido da matéria escura teria evoluído sob sua própria gravidade, levando à formação de pequenas concentrações conhecidas como "halos da matéria escura". É dentro desses halos - um componente teórico que se estende muito além da extensão visível de uma galáxia - que se acredita que galáxias como a Via Láctea se formaram.
Naturalmente, isso apresentou um grande desafio. Exigia não apenas um cálculo preciso de como a estrutura da matéria escura evolui, mas também considerava como isso influenciaria todas as outras partes do Universo. Como Joachim Stadel, professor do Centro de Astrofísica Teórica e Cosmologia da UZH e co-autor do artigo, disse à Space Magazine por e-mail:
“Simulamos 2 trilhões de“ pedaços ”de matéria escura, o maior cálculo desse tipo já realizado. Para fazer isso, tivemos que usar uma técnica de computação conhecida como “método multipolar rápido” e usar um dos computadores mais rápidos do mundo, “Piz Daint” no Centro Nacional de Supercomputação da Suíça, que, entre outras coisas, possui unidades de processamento gráfico muito rápidas. (GPUs), que permitem uma enorme aceleração dos cálculos de ponto flutuante necessários na simulação. A matéria escura se agrupa em "halos" de matéria escura que, por sua vez, abrigam as galáxias. Nosso cálculo produz com precisão a distribuição e as propriedades da matéria escura, incluindo os halos, mas as galáxias, com todas as suas propriedades, devem ser colocadas dentro desses halos usando um modelo. Essa parte da tarefa foi realizada por nossos colegas em Barcelona, sob a direção de Pablo Fossalba e Francisco Castander. Essas galáxias têm as cores esperadas, a distribuição espacial e as linhas de emissão (importantes para os espectros observados por Euclid) e podem ser usadas para testar e calibrar várias sistemáticas e erros aleatórios em todo o pipeline de instrumentos da Euclid. ”
Graças à alta precisão de seus cálculos, a equipe conseguiu apresentar um catálogo que atendia aos requisitos da missão Euclid da Agência Espacial Européia, cujo principal objetivo é explorar o "universo sombrio". Esse tipo de pesquisa é essencial para entender o Universo nas maiores escalas, principalmente porque a grande maioria do Universo é escura.
Entre os 23% do universo que é composto de matéria escura e os 72% que consistem em energia escura, apenas um vigésimo do universo é realmente composto de matéria que podemos ver com instrumentos normais (também conhecidos como "luminosos" ou matéria bariônica). Apesar de ter sido proposta nas décadas de 1960 e 1990, respectivamente, a matéria escura e a energia escura permanecem dois dos maiores mistérios cosmológicos.
Dado que sua existência é necessária para que nossos atuais modelos cosmológicos funcionem, sua existência só foi inferida por observação indireta. É exatamente isso que a missão Euclides fará ao longo de sua missão de seis anos, que consistirá em capturar luz de bilhões de galáxias e medi-la em busca de distorções sutis causadas pela presença de massa em primeiro plano.
Muito da mesma maneira que a medição da luz de fundo pode ser distorcida pela presença de um campo gravitacional entre ela e o observador (ou seja, um teste consagrado pela Relatividade Geral), a presença de matéria escura exercerá uma influência gravitacional na luz. Como Stadel explicou, o universo simulado deles desempenhará um papel importante nessa missão euclidiana - fornecendo uma estrutura que será usada durante e após a missão.
"Para prever o quão bem os componentes atuais serão capazes de fazer uma determinada medição, um Universo preenchido com galáxias o mais próximo possível do universo real observado deve ser criado", disse ele. "Este catálogo 'falso' de galáxias é o que foi gerado a partir da simulação e agora será usado dessa maneira. No entanto, no futuro, quando Euclid começar a coletar dados, também precisaremos usar simulações como essa para resolver o problema inverso. Precisamos, então, ser capazes de pegar o Universo observado e determinar os parâmetros fundamentais da cosmologia; uma conexão que atualmente só pode ser feita com precisão suficiente por grandes simulações como a que acabamos de realizar. Este é um segundo aspecto importante de como essa simulação funciona [e] é central para a missão Euclides. ”
A partir dos dados de Euclides, os pesquisadores esperam obter novas informações sobre a natureza da matéria escura, mas também descobrir novas físicas que vão além do Modelo Padrão da física de partículas - ou seja, uma versão modificada da relatividade geral ou um novo tipo de partícula. Como Stadel explicou, o melhor resultado para a missão seria aquele em que os resultados não conforme as expectativas.
“Embora certamente faça medições mais precisas de parâmetros cosmológicos fundamentais (como a quantidade de matéria escura e energia no Universo) muito mais emocionante seria medir algo que conflita ou, pelo menos, está em tensão com o atual modelo 'matéria escura escura lambda' (LCDM) atual ”, disse ele. "Uma das maiores questões é se a chamada" energia escura "desse modelo é realmente uma forma de energia ou se é mais corretamente descrita por uma modificação na teoria geral da relatividade de Einstein. Embora possamos começar a arranhar a superfície de tais perguntas, elas são muito importantes e têm o potencial de mudar a física em um nível muito fundamental. ”
No futuro, Stadel e seus colegas esperam realizar simulações sobre a evolução cósmica que levem em conta tanto a matéria escura e energia escura. Algum dia, esses aspectos exóticos da natureza poderiam formar os pilares de uma nova cosmologia, que vai além da física do Modelo Padrão. Enquanto isso, astrofísicos de todo o mundo provavelmente estarão aguardando o primeiro lote de resultados da missão Euclides com respiração isca.
Euclides é uma das várias missões atualmente envolvidas na caça à matéria escura e no estudo de como ela moldou nosso Universo. Outros incluem o experimento do espectrômetro magnético alfa (AMS-02) a bordo do ISS, o Kilo Degree Survey do ESO (KiDS) e o Large Hardon Collider do CERN. Com sorte, esses experimentos revelarão peças do quebra-cabeça cosmológico que permaneceram indescritíveis por décadas.
