Como você testa as teorias do universo? Construindo supercomputadores gigantescos e simulando a evolução do cosmos.
Uma equipe de cientistas japoneses construiu a maior simulação cósmica de todos os tempos para incluir minúsculas partículas “fantasmas” chamadas neutrinos. Para explorar um dos maiores mistérios não resolvidos da física, os pesquisadores usaram incríveis 7 milhões de núcleos de CPU para resolver a evolução de 330 bilhões de partículas e uma grade computacional de 400 trilhões de unidades.
De longe, a forma de matéria mais importante do universo é a matéria escura. Não temos certeza do que é ou do que é feito, mas sabemos que é muito. Representa cerca de 80% de toda a matéria. A matéria bariônica – o material que compõe estrelas, planetas e a rica variedade de toda a tabela periódica – constitui apenas uma pequena fração de toda a matéria no universo.
A matéria escura forma a espinha dorsal do cosmos. Há bilhões de anos, não havia estruturas no universo. Toda a matéria – escura ou não – foi distribuída suavemente, e nem um pouco irregular. Simplesmente não havia muitas variações de densidade de um lugar para outro. No geral, era um universo muito chato.
Mas com o tempo, o universo se tornou mais interessante. Havia pequenas diferenças de densidade, semeadas a partir de flutuações quânticas microscópicas nos primeiros segundos do Big Bang. Lugares com densidade um pouco mais alta tiveram um pouco mais de gravidade, e foi aí que a matéria escura começou a se agrupar. À medida que essas primeiras estruturas brotaram, elas atraíram ainda mais material. Ao longo de bilhões de anos, esse processo esvaziou vastas regiões do cosmos – agora conhecidas como vazios cósmicos – puxando toda a matéria em uma extensa rede de aglomerados, paredes e filamentos.
E há os neutrinos, partículas extremamente minúsculas que quase não têm massa. Na verdade, eles representam menos de 0,1% de toda a massa do universo. Mas essas partículas minúsculas têm uma influência descomunal na evolução das estruturas. Eles são rápidos – muito rápidos – capazes de viajar quase à velocidade da luz. Essa velocidade incrível amortece a formação de grandes estruturas, como galáxias e aglomerados.
Enquanto a matéria escura quer continuar se acumulando por meio da gravidade, os neutrinos vão muito rápido para se estabelecer em um ponto. E embora os neutrinos tenham muito pouca massa, eles ainda têm alguma massa. Eles podem usar sua gravidade para influenciar fracamente o comportamento da matéria escura, evitando assim que ela se aglomere com tanta força quanto faria normalmente.
Em outras palavras, o universo é um pouco mais liso do que seria sem os neutrinos.
Mistérios do universo
Encontrar as massas dos três conhecidos “sabores” de neutrinos – neutrinos de elétrons, neutrinos de múons e neutrinos de tau – é um grande problema não resolvido na física moderna. Mas, ironicamente, podemos medir as massas dessas minúsculas partículas mapeando as maiores estruturas do universo.
Para tentar entender a natureza da matéria escura e o papel dos neutrinos na formação da evolução cósmica, os cosmologistas costumam recorrer a simulações de computador. Se você alterar a massa do neutrino um pouco nas simulações, isso mudará como os neutrinos influenciam a formação de estruturas ao longo de bilhões de anos. Portanto, medindo essas mesmas estruturas, você pode obter uma compreensão da massa do neutrino.
Essas simulações geralmente abrangem uma pequena fração do universo real e começam com um conjunto de “partículas” de matéria escura, com cada partícula representando uma certa quantidade de matéria escura – por exemplo, uma única bolha com uma massa milhões de vezes a massa do sol. As simulações então posicionam essas partículas como seriam no início do universo. As simulações rastreiam como essas partículas evoluem por meio de sua gravidade mútua, dando origem às estruturas gigantes que vemos hoje.
Esta é uma técnica de aproximação, porque o verdadeiro comportamento da matéria escura é representado por um número limitado de partículas, mas funciona muito bem para a matéria escura. Simular neutrinos é muito mais difícil por causa de sua velocidade ridícula. É difícil seguir seu comportamento dentro da simulação porque eles podem se mover de um lado da simulação para o outro em um curto espaço de tempo. Portanto, as simulações não conseguem acompanhar como os neutrinos estão agindo e influenciando a matéria escura.
Uma questão de computação
Portanto, talvez não devêssemos nos preocupar em tentar aproximar o comportamento dos neutrinos. Para acompanhar corretamente a evolução dos neutrinos e explicar seu comportamento rápido, é necessário resolver uma equação incrivelmente complexa. Resolver essa equação – chamada de equação de Vlasov, em homenagem ao físico russo Anatoly Vlasov – no entanto, requer imensos recursos computacionais.
Então, uma equipe de cientistas japoneses fez exatamente isso: eles usaram 7 milhões de processadores no supercomputador Fugaku para rastrear a evolução da matéria escura e a influência dos neutrinos na formação de estruturas. O pesquisador usou 330 bilhões de partículas para representar a matéria escura e uma grade computacional de 400 trilhões de componentes para representar os neutrinos, na maior simulação do gênero.
E embora possa não ter resolvido o mistério da massa dos neutrinos, a simulação abre o caminho para mais desse tipo. Em essência, esta simulação foi uma prova de conceito para mostrar que agora podemos incluir neutrinos em simulações com mais precisão do que nunca. Armadas com essa nova tecnologia, as simulações futuras abrirão uma janela para o papel dos neutrinos no universo e talvez até revelem uma chave para desbloquear sua massa.
O artigo da equipe foi postado recentemente no servidor de pré-impressão arXiv, e você pode ver a simulação aqui.
Publicado em 07/12/2021 22h49
Artigo original:
Estudo original: