Duas simulações do universo que batem recordes acompanham 13,4 trilhões de partículas de matéria escura
Os cosmólogos têm um problema que soa quase como um paradoxo: quanto melhores ficam seus telescópios, mais difícil se torna interpretar o que veem. A matéria escura, a substância invisível que se acredita compor a maior parte da massa do universo, não emite luz própria. Sua estrutura só se torna visível indiretamente, por meio de como ela curva a luz e molda onde as galáxias se formam. Para conectar essas observações à teoria, os pesquisadores constroem vastos universos virtuais e os deixam evoluir.
Foi o que uma equipe do Laboratório Nacional de Argonne, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, acaba de fazer em escala sem precedentes. Usando o Aurora, um dos primeiros supercomputadores exaescala do mundo, os cientistas concluíram as duas maiores simulações cosmológicas já realizadas, segundo um anúncio divulgado pelo veículo chinês Science and Technology Daily. Cada simulação acompanhou a evolução de 13,4 trilhões de partículas de matéria escura em uma região de 28,6 bilhões de anos-luz de largura.
O número é difícil de imaginar. Para comparação, simulações de ponta anteriores acompanhavam partículas na casa dos bilhões ou de poucos trilhões. Saltar para mais de 13 trilhões de partículas em uma única execução significa que o cosmos virtual pode resolver estruturas muito mais finas, pequenos aglomerados de matéria escura que, de outra forma, se diluiriam em uma névoa estatística. Essas pequenas estruturas importam porque deixam marcas em como as galáxias se agrupam e em como a matéria escura distorce a luz de objetos distantes.
As simulações miram um alvo central: a inflação cósmica, a teoria de que o universo muito primordial passou por uma breve e violenta explosão de expansão. Esse processo teria esticado minúsculas flutuações quânticas até transformá-las nas sementes da estrutura em grande escala atual. Ao comparar universos simulados com diferentes cenários de inflação com observações reais, os astrônomos podem restringir quais versões da teoria sobrevivem.
Há também um ganho prático. Uma nova geração de levantamentos do céu está mapeando bilhões de galáxias e medindo distorções sutis em suas formas. Esses levantamentos produzem conjuntos de dados enormes, e extrair deles informações cosmológicas exige previsões teóricas igualmente enormes. As execuções no Aurora devem servir como uma biblioteca de referência para essa análise, ajudando os pesquisadores a separar sinais genuínos de ruído e de artefatos de modelagem.
A computação exaescala, ou seja, máquinas capazes de mais de um quintilhão de cálculos por segundo, tem sido um marco há muito almejado. O Aurora, sediado em Argonne, perto de Chicago, está entre os primeiros sistemas a cruzar esse limiar. A cosmologia se tornou uma de suas cargas de trabalho de destaque, já que simulações de matéria escura que consideram apenas a gravidade são computacionalmente exigentes, mas relativamente limpas de modelar, o que as torna um teste de estresse ideal para o novo hardware.
Para leitores de todo o mundo, a história é um lembrete de que a astronomia moderna é cada vez mais um empreendimento computacional. Os telescópios coletam os fótons, mas os supercomputadores os transformam em compreensão. À medida que observatórios no Chile, no Havaí e, futuramente, no espaço geram catálogos de galáxias cada vez maiores, o gargalo se desloca da coleta de dados para a sua interpretação.
Os resultados da equipe de Argonne ainda são simulações, não descobertas, e seu valor científico dependerá de quão bem correspondem à realidade. Mas cada duplicação do número de partículas aproxima um pouco mais o universo virtual do real, e as maiores estruturas do cosmos agora são recriadas em uma máquina em Illinois, partícula por partícula.