Uma enorme simulação cósmica envolve, recriando mais do universo

Existe uma velha piada entre os estudantes de astronomia sobre uma questão no exame final de uma aula de cosmologia. Fica assim: “Descreva o universo e dê três exemplos.” Bem, uma equipe de pesquisadores na Alemanha, nos Estados Unidos e no Reino Unido deu um salto gigantesco para dar pelo menos um exemplo preciso de como é o universo.

Para fazer isso, eles usaram um conjunto de simulações chamado “MillenniumTNG”. Ele rastreia o acúmulo de galáxias e a estrutura cósmica ao longo do tempo. Ele também fornece uma nova visão do modelo cosmológico padrão do universo. É o que há de mais moderno em simulações cosmológicas e se une a esforços ambiciosos como o projeto AbacusSummit há dois anos.

Este projeto de simulação leva em consideração tantos aspectos da evolução cósmica quanto possível. Ele usa simulações de matéria comum (bariônica) (que é o que vemos no universo). Também inclui matéria escura, neutrinos e energia escura, cujos mecanismos de formação do universo ainda são obscuros. Este é um longo pedido.

simulação do universo

Mais de 120.000 centros de computação no SuperMUC-NG na Alemanha trabalharam nos dados do MillenniumTNG. Isso foi seguido pela formação de cerca de cem milhões de galáxias em uma região do espaço com um diâmetro de cerca de 2.400 milhões de anos-luz. Então Cosma8 em Durham começou a trabalhar calculando um universo maior do que o tamanho, mas preenchido com um trilhão de partículas simuladas de matéria escura e outros 10 bilhões rastreando a ação de neutrinos maciços.

O resultado desse número de triturações foi uma região simulada do universo que reflete a composição e distribuição das galáxias. O tamanho era grande o suficiente para que os cosmólogos pudessem usá-lo para extrapolar suposições sobre todo o universo e sua história. Eles também podem usá-lo para procurar “rachaduras” no modelo cosmológico padrão do universo.

Modelo cosmológico e previsão

Os cosmólogos têm esse modelo básico que propõem para explicar a evolução do universo. É assim: o universo tem diferentes tipos de matéria. Existe a matéria bariônica comum, da qual todos nós, estrelas, planetas e galáxias somos feitos. É pouco menos de 5% das “coisas” do universo. O resto é matéria escura e energia escura.

A comunidade cosmológica chama esse estranho conjunto de condições cósmicas de modelo da “matéria escura Lambda fria” (LCDM, para abreviar). Na verdade, descreve o universo muito bem. No entanto, existem algumas inconsistências. É isso que a simulação deve ajudar a resolver. O modelo baseia-se em dados de uma grande variedade de fontes, incluindo a radiação cósmica de micro-ondas para a “teia cósmica”, onde as galáxias estão dispostas ao longo de uma intrincada teia de filamentos de matéria escura.

Ainda falta uma boa compreensão do que exatamente é a matéria escura. E para a energia escura, é um desafio. E astrofísicos e cosmólogos estão procurando entender melhor o LCDM e a existência de duas grandes incógnitas. Isso requer muitas novas observações sensíveis dos astrônomos. Do outro lado da moeda, eles também precisam de previsões mais detalhadas do que o modelo LCDM realmente sugere. É um grande desafio e é o que impulsiona as grandes simulações do MillenniumTNG. Se os cosmólogos puderem simular o universo com sucesso, eles podem usar essas simulações para ajudar a entender o que está acontecendo “na vida real”. Isso inclui propriedades de galáxias tanto no universo moderno quanto no primitivo.

Compreendendo e prevendo as tendências das galáxias no universo usando o MillenniumTNG

As simulações do MillenniumTNG seguem os projetos de simulação anteriores denominados “Millennium” e “IllustrisTNG”. Este grupo mais novo fornece uma ferramenta para apontar algumas das lacunas em sua compreensão de coisas como evolução e formas (ou morfologia) de galáxias.

Os astrônomos há muito sabem sobre algo chamado “alinhamento galáctico intrínseco”. Isso é basicamente uma tendência das galáxias de orientar suas formas em direções semelhantes, por razões que ninguém entende completamente.

Acontece que as lentes gravitacionais fracas afetam a forma como vemos o alinhamento da galáxia. As simulações do MillenniumTNG podem permitir que os astrônomos meçam esses alinhamentos no “mundo real” usando alinhamentos simulados. Este é um grande passo em frente, de acordo com a membro da equipe Ana Maria Delgado. “Talvez nossa determinação do alinhamento intrínseco das direções da galáxia possa ajudar a resolver a discrepância atual entre a amplitude da matéria do aglomerado inferida a partir das lentes fracas e a radiação cósmica de fundo”, disse ela.

soando passado

Como em outros campos da cosmologia, o grupo MillenniumTNG está examinando o universo muito jovem por meio de simulações. Este é o tempo após a era da reionização, quando as primeiras estrelas já brilhavam intensamente e as primeiras galáxias evoluíram. Algumas dessas primeiras galáxias são muito grandes, o que parece fora do contexto do jovem universo. Eles foram vistos pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST) e a questão permanece: como eles se tornaram tão massivos em tão pouco tempo após o Big Bang?

A simulação do MillenniumTNG parece replicar essa tendência de algumas galáxias iniciais crescerem exponencialmente em um curto espaço de tempo. Normalmente, isso seria cerca de 500 milhões de anos após o Big Bang. Então, por que essas galáxias são tão massivas? O astrônomo Rahul Kannan oferece algumas ideias para explicar isso. “Talvez a formação de estrelas tenha sido mais eficiente logo após o Big Bang em comparação com tempos posteriores, ou estrelas massivas podem ter se formado em taxas mais altas naquela época, tornando essas galáxias extraordinariamente brilhantes”, explicou ele.

Agora que o JWST está olhando para tempos anteriores na história cósmica, será interessante ver se as simulações prevêem o que ele encontra. Keenan sugere que pode haver uma brecha entre o universo real e a simulação. Se isso acontecer, colocará outra questão desconcertante para os cosmólogos sobre as primeiras eras da história cósmica.

O futuro da exploração simulada e real do universo

As próximas décadas de estudos cosmológicos serão muito beneficiadas por simulações como o Millennium TNG. No entanto, as simulações são tão boas quanto os dados que recebem e as suposições feitas por suas equipes científicas. A MillenniumTNG se beneficia de vastos bancos de dados de informações, bem como das capacidades dos supercomputadores para processar seus dados. De acordo com o investigador principal da equipe, o professor Volker Sprengel, do Instituto Max Planck, as simulações que geraram mais de 3 petabytes de dados são um grande trunfo para a cosmologia.

“MillenniumTNG combina avanços recentes na simulação da formação de galáxias com o campo da estrutura cósmica em larga escala, permitindo uma modelagem teórica melhorada da conexão das galáxias com a espinha dorsal da matéria escura do universo”, disse ele. “Isso pode ser muito útil para avançar questões-chave na cosmologia, como a forma como a massa de neutrinos pode ser melhor restringida por dados de estrutura em grande escala”.

Suas previsões certamente se alinham com os objetivos do Projeto MillenniumTNG. As equipes continuam a desenvolver o sucesso do projeto IllustrisTNG, que executou simulações hidrodinâmicas, além da simulação do Millennium, apenas com matéria escura, criada há quase uma década. As simulações da equipe foram usadas para estudar vários assuntos galácticos diferentes. Eles incluem a agregação de matéria e halos de galáxias, aglomerados de galáxias e sua distribuição, modelos de formação de galáxias, aglomerados de galáxias no início do universo, alinhamentos intrínsecos de galáxias e outros tópicos relacionados. Embora eles possam não ser capazes de definir totalmente o universo (e dar três exemplos), a equipe do MillenniumTNG está fazendo grandes progressos na compreensão de sua origem e evolução.

Para maiores informações

Procurando rachaduras no modelo cosmológico padrão
Página do Projeto MillenniumTNG