Pesquisadores usam supercomputador para investigar matéria escura

Uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, realizou um feito notável no campo da cosmologia. Utilizando o supercomputador Summit, localizado no Oak Ridge Leadership Computing Facility, a equipe conduziu um dos modelos cosmológicos mais completos até o momento para investigar as propriedades da matéria escura, um fenômeno ainda amplamente inexplicado.

1/1A teia cósmica mostrada em detalhes com outros componentes críticos das simulações, incluindo matéria escura, gás, temperatura e densidade neutra de hidrogênio. O último painel mostra as características de absorção da floresta Lyman-alfa. Crédito: Bruno Villasenor/UCSC

A matéria escura, conforme teorizado pelo modelo Lambda-cold dark matter da cosmologia do Big Bang, compõe 85% da matéria total do universo. No entanto, a natureza exata da matéria escura permanece desconhecida, com apenas sua influência gravitacional fornecendo evidências de sua existência. Bruno Villasenor, autor principal do estudo, enfatizou a importância de restringir as propriedades da matéria escura para avançar nosso entendimento. 

Para isso, a equipe realizou mais de mil simulações hidrodinâmicas de alta resolução no supercomputador Summit. Eles modelaram a Floresta Lyman-Alpha, uma série de características de absorção formadas pela luz de quasares distantes. Esses patches de gás cósmico difuso, movendo-se em diferentes velocidades e com diferentes massas, formam uma “floresta” de linhas de absorção. 

A equipe simulou universos com diferentes propriedades de matéria escura que afetam a estrutura da teia cósmica. As flutuações na Floresta Lyman-Alpha foram alteradas com base nessas diferentes propriedades da matéria escura. Os resultados simulados foram então comparados com observações reais feitas pelos telescópios do Observatório W. M. Keck e do Very Large Telescope do Observatório Europeu do Sul.

Através desta comparação, a equipe eliminou possíveis candidatos para a matéria escura até encontrarem a correspondência mais próxima. Surpreendentemente, os resultados contradizem a principal alegação do modelo Lambda-CDM de que a matéria escura do universo é matéria escura fria. Em vez disso, o estudo sugeriu que podemos estar vivendo em um universo de matéria escura quente, com velocidades térmicas mais rápidas. 

A distribuição de gás traçando a teia cósmica e um conjunto de espetos que atravessam a caixa de simulação ao longo da qual as características de absorção da Floresta Lyman-Alpha são computadas a partir da simulação e usadas para comparar com as observações. Crédito: Bruno Villasenor/UCSC

Essas descobertas desafiam suposições de longa data sobre a matéria escura e o universo. Além disso, o projeto se destaca por sua conquista computacional, aproveitando o poder dos maiores supercomputadores do mundo. A equipe usou um código de hidrodinâmica otimizado para GPU chamado Cholla para suas simulações no Summit. 

Cholla, desenvolvido por Evan Schneider, professora assistente na Universidade de Pittsburgh, foi originalmente projetado para ajudar os usuários a entender melhor como os gases do universo evoluem ao longo do tempo, atuando como um solucionador de dinâmica de fluidos. No entanto, a equipe da UCSC precisava de vários solucionadores de física adicionais para seu projeto de matéria escura, que foram integrados ao Cholla por Villasenor. 

Villasenor adicionou a física da gravidade, da matéria escura, do universo em expansão e das propriedades químicas dos gases ao Cholla. Essas adições foram necessárias para realizar simulações hidrodinâmicas cosmológicas. No processo, Villasenor montou um dos códigos de simulação mais completos para modelar o universo.

Esta figura ilustra como a temperatura da teia cósmica muda à medida que você muda a intensidade da energia ionizante dos quasares da esquerda para a direita e como você muda o tempo de quando esses quasares se formam de baixo para cima. Esta imagem foi gerada a partir de outra grande simulação de grade que também executamos no Summit. Crédito: Bruno Villasenor/UCSC

Anteriormente, os astrofísicos tinham que escolher quais parâmetros incluir em suas simulações. Agora, com o poder computacional do Summit, eles têm muitos mais parâmetros físicos à sua disposição. O trabalho de Villasenor representa um avanço significativo na capacidade de variar a física do universo de muitas maneiras diferentes. 

A capacidade de conectar a física simultaneamente e compará-la diretamente com as observações é um grande avanço. O desafio computacional desse trabalho é ordens de magnitude além do que havia sido feito antes. Schneider, que aconselhou Villasenor em seu trabalho, acredita que suas adições serão fundamentais para suas próprias simulações no supercomputador Frontier. 

O supercomputador Frontier é um supercomputador de classe exascale alojado com o Summit no OLCF. Schneider está liderando um projeto para simular a galáxia da Via Láctea usando o supercomputador Frontier. Ela estará usando alguns dos solucionadores adicionados por Villasenor para seu projeto. 

O software de astrofísica, como o Cholla, está em constante evolução, sem uma versão definitiva. Cholla pode ser pensado como uma ferramenta multifuncional, com cada adição permitindo a solução de problemas mais complexos. As adições de Villasenor ao Cholla são comparadas à adição de uma chave de fenda a um canivete.

1/1Esta figura ilustra como a temperatura da teia cósmica muda à medida que você muda a intensidade da energia ionizante dos quasares da esquerda para a direita e como você muda o tempo de quando esses quasares se formam de baixo para cima. Esta imagem foi gerada a partir de outra grande simulação de grade que também executamos no Summit. Crédito: Bruno Villasenor/UCSC

O trabalho da equipe da UCSC expandiu as capacidades do Cholla, permitindo que ele abordasse uma gama mais ampla de problemas. O estudo tem implicações para nosso entendimento da matéria escura e da estrutura fundamental do universo. A pesquisa representa um passo significativo na modelagem cosmológica.

O poder computacional do supercomputador Summit foi fundamental para a pesquisa da equipe. O estudo demonstra o potencial das simulações hidrodinâmicas de alta resolução para avançar nosso entendimento do universo.

Fonte: phys.org