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Simulações de computador ajudam os cosmólogos a desvendar o mistério de como o Universo evoluiu.




Astrônomos estão enfrentando um problema único. Enquanto os cientistas da maioria dos campos podem realizar experiências da física de partículas construindo aceleradores de partículas maciços para testar suas teorias de material subatômico, e microbiologistas sondam as propriedades de micróbios em placas de Petri - astrônomos não podem realizar experimentos com as estrelas e planetas. Até mesmo os telescópios mais avançados podem fornecer apenas instantâneos do cosmos, e muito poucas alterações durante nossas vidas.


No entanto, muitas questões permanecem, por exemplo, como a Via Láctea é formada, o que é a matéria escura e qual o papel dos buracos negros supermassivos no centro de galáxias. Em uma tentativa mais próxima de responder a estes mistérios não resolvidos, alguns cientistas deram início a projetos ambiciosos: criar universos virtuais.



A simulação EAGLE mostra como buracos negros supermassivos ajudam a moldar galáxias.

Evolução do Cosmos 

A evidência observacional mais antiga do Universo vem da radiação cósmica de fundo, o brilho criado pelo Big Bang. cosmólogos computacionais utilizam estes dados para modelar as condições, neste momento, quando o Universo tinha cerca de algumas centenas de milhares de anos. 

Em seguida, eles adicionaram os ingredientes básicos: matéria bariônica (ou comum), a partir do qual as estrelas e os planetas se formam; a matéria escura, que permite estruturas galácticas crescerem; e energia escura, a força misteriosa por trás aceleração cósmica. Estas são classificadas em uma simulação juntamente com as equações que descrevem vários processos físicos, tais como explosões de supernovas e buracos negros. Os cosmólogos, em seguida, esperaram que a simulação evoluísse: O universo virtual se expande, o gás se condensa em pequenas estruturas e, eventualmente, formam-se estrelas e galáxias. 

"O interessante é que, se você fizer isso, o universo que se desenvolve em um computador parece muito com o universo real", diz Joop Schaye da Universidade de Leiden e o investigador principal do Projeto EAGLE (Evolução e Montagem de Galáxias e seus ambientes, em inglês Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments). "Você começa com galáxias de todos os tipos de tamanhos e morfologias que se parecem muito com as galáxias reais."

Grupos de todo o mundo estão trabalhando nessas simulações. Em 2014, tanto o projeto EAGLE e o Projeto illustris, liderados pelo astrofísico teórico Mark Vogelsberger do MIT, deram grandes passos à frente com seus inovadores universos realistas. Ambas as simulações são enormes, cobrindo um espaço cúbico de cerca de 300 milhões de anos-luz de cada lado. Eles também exigem uma boa quantidade de poder computacional e apenas uma corrida completa requer grandes supercomputadores executando durante meses seguidos.

"O que acabamos fazendo é rodar a grande simulação de uma vez, mas queremos entender por que o Universo se comporta da maneira que ele se comporta", diz Richard Bower, cosmólogo da Universidade de Durham e membro do Projeto de EAGLE. "Então, nós estamos executando muitas outras simulações onde nós mudaremos as coisas um pouco." 

Estas simulações já revelaram algumas propriedades interessantes de galáxias em evolução. Bower e seus colegas, por exemplo, descobriram que o número e o tamanho das galáxias é dependente de um bom equilíbrio entre as supernovas e buracos negros. 

Usando sua simulação, eles descobriram que, sem supernovas, o universo criaria demasiadas galáxias. Isso ocorre porque, sem supernovas explodindo, muitas pequenas galáxias não explodiriam junto com elas. 

Por outro lado, eles descobriram que incluindo apenas supernovas, as galáxias cresceriam muito maciças - cerca de 10 vezes a massa da Via Láctea. Para gerenciar o tamanho dessas galáxias, eles precisavam também incluir buracos negros. 

"O supernovas e buracos negros competem pelo mesmo material que é fornecido pela galáxia", explica Bower. "Uma vez que as supernovas começam a diminuir, o buraco negro assume, marcando o final da formação de estrelas e o início da formação de buracos negros cada vez maiores."

Densidade de matéria escura (à esquerda) faz a transição para a densidade do gás (à direita).

Zoom in  

Existem dois tipos de simulações neste campo de simulações de volume de estudo representativo, o modelo de grandes volumes do universo observável, e simulações de zoom, que incidem sobre galáxias individuais ou aglomerados de galáxias. 

A medida que os astrônomos coletam mais e mais detalhes instantâneos do universo, os cosmólogos como Andrew Pontzen da Universidade College London estão usando simulações de zoom para tentar investigar as propriedades das galáxias individuais no mesmo nível de especificidade. "Nós estamos tentando avançar na compreensão das galáxias individuais em detalhe suficiente para que possamos fazer comparações significativas com esses dados realmente na vanguarda", diz Pontzen. 

Para fazer isso, Pontzen e seus colegas desenvolveram uma técnica chamada de modificação genética, que envolve a criação de muitas versões diferentes de galáxias. "Ele torna-se quase como um experimento", diz Pontzen. "Você tem o controle sobre determinadas  formas de objetos e, em seguida, você pode dizer se eles se formam em uma determinada maneira em particular, em seguida, a galáxia que sai no final se parecerá com esses objetos." Por exemplo, você mudar a maneira com que a massa chega nas galáxias ao longo do tempo e ver como isso afeta a galáxia que emerge. 

De forma semelhante, os cosmólogos trabalham com simulações de maior escala que podem "girar os botões", alterando algumas variáveis como leis da gravidade ou as propriedades da matéria escura, por exemplo, e ver como o universo que emergirá a partir disso, se parece. "Eu acho que é muito interessante tentar restringir as propriedades da matéria escura e energia escura através destas simulações", diz Vogelsberger. "Nós não sabemos o que são, mas por ajustes de parâmetros menores destes modelos, podemos tentar restringir as propriedades da matéria escura ou energia escura em mais detalhes."

Estes cientistas também trabalham em estreitas colaborações com os observadores para comparar como as simulações se comparam com o que está realmente lá fora no Universo. "Essa é a parte crítica", diz Pontzen. "Queremos ser capazes de relacionar todas essas coisas juntas."

Traduzido e adaptado de Symmetry Magazine

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Autor Felipe Sérvulo

Graduado em Física pela UEPB. Mestrando em Cosmologia, gravitação e física das partículas pela UFCG. Possui experiência na área de divulgação científica com ênfase em astronomia, astrofísica, astrobiologia, cosmologia, biologia evolutiva e história da ciência. Possui experiência na área de docência informática, física, química e matemática, com ênfase em desenvolvimento de websites e design gráfico e experiência na área de artes, com ênfase em pinturas e desenhos realistas. Fundador do Projeto Mistérios do Universo, colaborador, editor, tradutor e colaborador da Sociedade Científica e do Universo Racionalista. Membro da Associação Paraibana de Astronomia. Pai, nerd, geek, colecionador, aficionado pela arte, pela astronomia e pelo Universo. Curriculum Lattes: http://lattes.cnpq.br/8938378819014229
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