'Uchuu', a simulação mais exata e completa do universo que te permite 'viajar no tempo'

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Cientistas do Japão, Espanha e outros países recriaram a evolução do universo com um supercomputador. E eles disponibilizaram o programa gratuitamente para todos os usuários interessados.
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Por BBC
04/10/2021 11h00 Atualizado há 2 horas
Postado em 04 de outubro de 2021 às 13h00m

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Uchuu nos permite visualizar a matéria escura e como ela é distribuída, por exemplo, em um objeto supermassivo como um grande aglomerado de galáxias (skiesanduniverses.org) — Foto: IAA-CSIC via BBC

Uma equipe internacional de pesquisadores não apenas criou um universo virtual inteiro. Ela também o tornou disponível gratuitamente para todos com acesso à Internet.

Uchuu, termo que significa universo em japonês, é a simulação mais realista do cosmos feita até hoje.

O projeto foi desenvolvido pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) em colaboração com o Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), o Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) e a rede acadêmica e de pesquisa espanhola RedIRIS.

Outros grupos de pesquisa do Japão, EUA, Argentina, Austrália, Chile, França e Itália também participam da iniciativa.

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A simulação nos permitirá estudar a evolução do universo com um nível de detalhe e informação sem precedentes, praticamente desde depois do Big Bang até o presente.

"Uchuu visa basicamente recriar como o universo se formou, toda a estrutura, tudo o que vemos desde quando o universo estava apenas em sua infância e tinha 400 mil anos", disse o cosmólogo Francisco Prada, professor do Conselho Superior de Pesquisa Científica da Espanha (CSIC) do Instituto de Astrofísica da Andaluzia (IAA) à BBC News Mundo (serviço de notícias em espanhol da BBC).

"Conseguimos, com um supercomputador intensamente dedicado ao projeto, recriar toda a física envolvida, basicamente todas as equações da gravidade de Einstein e os componentes energéticos e materiais do universo, bem como todos os processos envolvidos numericamente."

A simulação, que já está disponível na nuvem do CESGA, permitirá aos cientistas focar em diferentes momentos da história do universo e facilitará a compreensão de fenômenos como a evolução das galáxias e a formação de buracos negros.

Supercomputador

A simulação foi possibilitada pelo supercomputador ATERUI II, o mais poderoso dedicado exclusivamente à astrofísica, que pertence ao Observatório Astronômico Nacional do Japão.

"Outros grandes computadores como o Mare Nostrum em Barcelona podem ter muito mais processadores. Mas a vantagem do ATERUI é que ele se dedica a poucos projetos em astrofísica", diz Prada.

"E isso permite que você tenha uso exclusivo por muito tempo para poder fazer uma simulação como essa, que de outra forma seria impossível. Tivemos a sorte de usar o ATERUI por um ano inteiro 48 horas todos os meses exclusivamente. Este é um enorme privilégio."

ATERUI II é o computador mais poderoso do mundo dedicado exclusivamente à astrofísica — Foto: NAOJ via BBC

Tomoaki Ishiyama, da Chiba University no Japão, foi o responsável pelo desenvolvimento e execução do código que criou a simulação.

O resultado "são três petabytes de dados, o equivalente a quase um milhão de fotos de um telefone móvel de 12 megapixels", disse Ishiyama, segundo a agência EFE.

A simulação consiste em 2,1 bilhões de partículas em um cubo virtual de 9,6 bilhões de anos-luz de lado, uma dimensão comparável à metade da distância que existe entre a Terra e as galáxias mais distantes observadas, diz o CSIC.

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Todos os dados para análise estão guardados no CESGA, centro misto do CSIC e da Junta de Galicia, podendo também ser descarregados online através do servidor IAA.

Evolução da galáxia

Uchuu permitirá aos cientistas estudar detalhadamente diferentes momentos e cenários da história do universo, ao longo de mais de 13 bilhões de anos.

"Pela primeira vez podemos estudar na mesma simulação tanto objetos muito pequenos quanto objetos enormes, tanto galáxias com massas menores que nossa Via Láctea quanto aglomerados de galáxias muito grandes, ou mesmo vazios enormes, mantendo a mesma resolução. Isso não havia sido possível ainda em uma mesma simulação."

"É como se em outra simulação você pudesse estudar apenas carros. Mas com nossa simulação nós conseguimos estudar de um skate até um avião ou um superpetroleiro, e também poderíamos ver como todos esses objetos estão distribuídos tanto em uma planície ou no Himalaia ou nas águas do oceano, em ambientes muito diferentes de densidade da matéria."

"As galáxias do universo estão distribuídas no que chamamos de estrutura de grande escala: existem grandes vazios, onde existem muito poucas galáxias, existem filamentos, existem grupos como a Via Láctea e Andrômeda e depois existem grandes objetos que são mil vezes mais massivos do que a nossa Via Láctea."

A simulação permite ver, por exemplo, como pequenas galáxias se agregam (se fundem) ao longo da história e formam outras maiores, algo chamado de formação hierárquica da estrutura do universo, explica Prada.

"Foi assim que a Via Láctea se formou. Ela vem 'comendo' muitos objetos minúsculos e isso faz parte da história da formação da galáxia."

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A simulação também permitiria estudar a colisão de duas galáxias que possuem buracos negros muito massivos que podem produzir ondas gravitacionais.

"Galáxias massivas como a Via Láctea têm um buraco negro. É essencial entender o crescimento dessas estruturas porque isso também tem relação com a taxa de acréscimo de matéria dos buracos negros, como eles se formam."

Ao fundo você pode ver toda a distribuição da matéria no universo. Fazendo um zoom, é possível ver em detalhes um aglomerado de galáxias que tem mil vezes a massa da Via Láctea. E com zoom ainda maior, se vê pequenas galáxias orbitando ao redor de um objeto mais massivo (skiesanduniverses.org) — Foto: IAA-CSIC via BBC

'Óculos de matéria escura'

Uma característica fundamental sobre o Uchuu é que ele incorpora não apenas matéria visível, mas também a misteriosa matéria escura e energia escura.

A matéria comum, composta de átomos, representa menos de 5% da energia total do universo.

A matéria escura, uma forma de matéria que não interage com a luz e só é detectável por seus efeitos gravitacionais, representa cerca de 25%. O resto, 70%, é o que os cientistas chamam de energia escura.

Na visualização Uchuu disponível no YouTube, por exemplo, se enxerga a matéria escura e como ela se distribui em um objeto supermassivo, como poderia ser um grande aglomerado de galáxias.

"Nossa simulação tem todos os ingredientes, todos os parâmetros que conhecemos hoje nas proporções certas", disse Prada.

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As imagens do Uchuu são equivalentes a "colocar óculos especiais" para visualizar a matéria escura.

"Houve um momento na história do universo em que a gravidade teve que competir com a energia escura porque, se você tivesse apenas a gravidade, toda a matéria começaria a entrar em colapso."

"No entanto, chega um momento na história do universo em que essa energia escura começa a dominar que não sabemos o que é, mas sabemos em termos práticos que é como uma força repulsiva, como uma pressão contra a gravidade,", explicou Prada para a BBC News Mundo.

"Um dos grandes desafios para Uchuu é que por ter simulado toda a estrutura do universo e ser capaz de comparar todas as estatísticas que observamos — por exemplo, quantos grandes aglomerados de galáxias temos, quantos grandes vazios, como o as galáxias estão agrupadas —, poderemos interpretar melhor a natureza da energia escura e da matéria escura, que até hoje não sabemos o que é."

"Entende-se que a matéria escura é uma partícula elementar, mas não sabemos o que é. E a energia escura não se tem nem ideia dela, entende-se que o universo está se expandindo rapidamente no momento mais tardio, mas não sabemos o que causa essa expansão acelerada."

Diferentes instantes da história do Universo — Foto: IAA-CSIC via BBC

Francisco Prada explica: "Esta imagem mostra quatro instantes da história do universo, o presente está abaixo e o passado está acima. E as três colunas correspondem a diferentes regiões do universo".

"Por exemplo, o da direita é muito interessante porque mostra o processo de formação de um grande vazio."

"Se formos para o presente, você verá que a densidade de galáxias lá é muito baixa, existem grandes regiões que têm um déficit, um vácuo de galáxias, então podemos voltar no tempo e ver como isso se formou."

"Na primeira coluna você vê um objeto semelhante à Via Láctea; é como se colocássemos óculos no céu e víssemos matéria escura."

"Se em vez disso eu der a vocês uma imagem do que só pode ser visto pelo telescópio, seria uma bela galáxia como as das imagens do Hubble, mas vemos toda a matéria escura, porque em nossa própria galáxia deve haver milhares de pequenos objetos que são matéria escura."

"E no meio você vê um aglomerado de galáxias que é um objeto mil vezes mais massivo."

Da Argentina e do Chile

A cientista Sofía Alejandra Cora, do Instituto de Astrofísica de La Plata, da Argentina, também participa do projeto Uchuu.

Cora é pesquisadora independente do Conselho Nacional de Pesquisa Científica e Técnica (Conicet) e professora associada da Faculdade de Ciências Astronômicas e Geofísicas da Universidade Nacional de La Plata.

"O principal objetivo da minha participação neste projeto é gerar um catálogo de galáxias a partir dos dados da simulação de Uchuu, que considera apenas matéria escura."

"Para fazer isso, as informações sobre as propriedades dos halos de matéria escura e a forma como eles crescem e se fundem ao longo do tempo são tomadas como base", ela explicou à BBC News Mundo.

"E um modelo semi-analítico de formação e evolução de galáxias é aplicado, levando em consideração vários processos físicos que determinam as propriedades das galáxias", continuou ele.

"Um modelo semi-analítico consiste em um conjunto de receitas analíticas simples que modelam diferentes processos físicos que afetam o gás e as estrelas que constituem uma galáxia."

"A versão mais recente do modelo usado por nosso grupo de trabalho na Argentina está descrita em um artigo nos Montlhy Notices da Royal Astronomical Society. Esta tarefa está em desenvolvimento."

'Pela primeira vez, podemos estudar objetos muito pequenos e objetos muito grandes na mesma simulação, mantendo a mesma resolução', diz Prada. (skiesanduniverses.org) — Foto: IAA-CSIC via BBC

Cristian Vega Martínez, pesquisador do Departamento de Astronomia e do Instituto de Pesquisa Multidisciplinar em Ciência e Tecnologia da Universidade de La Serena (ULS), no Chile, também participa do projeto.

"Um dos grandes desafios do Uchuu foi administrar e publicar a grande quantidade de dados que uma simulação desta categoria pode produzir".

"Este tipo de simulação pode facilmente gerar centenas de terabytes", disse Vega à BBC News Mundo.

"Portanto, estamos trabalhando ativamente para projetar as técnicas para manipular esses dados, fornecer uma maneira direta de compartilhá-los e fornecer ferramentas para seu uso."

Ele contribui com sua experiência na área de formação de galáxias e simulações de evolução, e seu conhecimento de computação de alto rendimento.

"Os dados publicados devem ser fornecidos de uma forma que possa ser útil para a comunidade", diz.

"Simulações desse tipo, que permitem modelar grandes volumes do universo (que simulam as estruturas que definem onde as galáxias se formam), são necessárias para poder contrastar nossas teorias físicas de formação de galáxias e da evolução do universo , com os resultados de grandes experimentos modernos (telescópios) ".

"É uma imagem do objeto de maior massa que temos na simulação de Uchuu. Você vê a distribuição da matéria escura neste objeto que corresponde a um enorme aglomerado de galáxias", diz Prada — Foto: IAA-CSIC via BBC

'Dar acesso a outras pessoas'

Para Francisco Prada, um dos principais motivos da importância do Uchuu é a sua disponibilidade gratuita.

"Como cientista, eu acredito na responsabilidade de dar acesso a outros cientistas que não têm a possibilidade de fazer essas simulações para que eles possam fazer ciência de alto nível, de última geração", disse.

"Tornamos isso público para todos os cientistas do mundo, e não apenas para os cientistas, mas também para todas as pessoas que possuem a Internet."

"E também na Galícia temos os dados, para que as pessoas possam entrar lá e fazer a análise dos dados sem precisar fazer download em casa. Por isso também disponibilizamos a capacidade informática, porque normalmente essa capacidade informática não está disponível a qualquer um."

A simulação, análise e divulgação pública dos dados foram financiadas por instituições públicas no Japão e na Espanha.

"O custo deste projeto é muito alto e há poucos grupos no mundo que podem fazer este projeto."

"Estamos na era do Big Data, onde o que Uchuu gerou é muito maior do que a quantidade de dados armazenados pelo YouTube, Amazon e Google juntos."

"Conseguimos realmente disponibilizar gratuitamente a pesquisa de pontapara a sociedade e os cientistas, isso é o que considero muito animador."

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