Como galáxias como a nossa Via Láctea passam a existir? Como eles crescem e mudam com o tempo? A ciência por trás da formação de galáxias permaneceu um quebra-cabeça por décadas, mas uma equipe de cientistas liderada pela Universidade do Arizona está um passo mais perto de encontrar respostas graças a simulações de supercomputadores.
Observar galáxias reais no espaço só pode fornecer instantâneos no tempo, então os pesquisadores que querem estudar como as galáxias evoluem ao longo de bilhões de anos precisam reverter para simulações de computador. Tradicionalmente, os astrônomos usaram essa abordagem para inventar e testar novas teorias de formação de galáxias, uma a uma. Peter Behroozi, professor assistente do Observatório Steward da UA, e sua equipe superaram esse obstáculo ao gerar milhões de diferentes universos em um supercomputador, cada um dos quais obedecia a diferentes teorias físicas sobre como as galáxias deveriam se formar.
As descobertas, publicadas no Monthly Notices da Royal Astronomical Society, desafiam idéias fundamentais sobre o papel da matéria escura na formação de galáxias, como as galáxias evoluem com o tempo e como elas dão origem a estrelas.
“No computador, podemos criar muitos universos diferentes e compará-los com o real, e isso nos permite inferir quais regras levam àquele que vemos”, disse Behroozi, principal autor do estudo.
O estudo é o primeiro a criar universos auto-consistentes que são réplicas tão exatas do real: simulações de computador que representam um pedaço considerável do cosmos atual, contendo 12 milhões de galáxias e abrangendo o tempo de 400 milhões de anos após o Big Bang. até os dias atuais.
Cada universo “Ex-Machina” foi submetido a uma série de testes para avaliar como as galáxias semelhantes apareceram no universo gerado em comparação com o universo verdadeiro. Os universos mais semelhantes aos nossos possuem regras físicas subjacentes similares, demonstrando uma nova e poderosa abordagem para o estudo da formação de galáxias.
Os resultados da “Universe Machine”, como os autores chamam sua abordagem, ajudaram a resolver o paradoxo de longa data de por que as galáxias deixam de formar novas estrelas mesmo quando retêm bastante gás hidrogênio, a matéria-prima da qual as estrelas são forjadas.
As idéias comuns sobre como as galáxias formam estrelas envolvem uma interação complexa entre o colapso do gás frio sob o efeito da gravidade em bolsas densas dando origem a estrelas, enquanto outros processos neutralizam a formação de estrelas.
Por exemplo, acredita-se que a maioria das galáxias abriga buracos negros supermassivos em seus centros. A matéria que cai nesses buracos negros irradia tremendas energias, atuando como maçaricos cósmicos que impedem que o gás resfrie o suficiente para colapsar em berçários estelares. Da mesma forma, as estrelas que terminam suas vidas em explosões de supernovas contribuem para esse processo. A matéria escura também desempenha um grande papel, pois fornece a maior parte da força gravitacional que atua sobre a matéria visível de uma galáxia, puxando gás frio dos arredores da galáxia e aquecendo-a no processo.
“À medida que voltamos mais cedo e mais cedo no universo, esperamos que a matéria escura seja mais densa e, portanto, o gás fique cada vez mais quente. Isso é ruim para a formação de estrelas, então pensamos que muitas galáxias no início O universo deveria ter parado de formar estrelas há muito tempo “, disse Behroozi. “Mas nós encontramos o oposto: galáxias de um determinado tamanho eram mais propensas a formar estrelas em uma taxa mais alta, ao contrário da expectativa”.
Para combinar as observações das galáxias atuais, explicou Behroozi, sua equipe teve que criar universos virtuais nos quais o oposto era o caso – universos nos quais as galáxias continuavam produzindo estrelas por muito mais tempo.
Se, por outro lado, os pesquisadores criaram universos baseados nas atuais teorias de formação de galáxias – universos nos quais as galáxias pararam de formar estrelas no início – essas galáxias pareciam muito mais vermelhas do que as galáxias que vemos no céu.
As galáxias aparecem em vermelho por dois motivos. A primeira é aparente na natureza e tem a ver com a idade de uma galáxia – se ela se formou no início da história do universo, ela estará se afastando mais rapidamente, mudando a luz para o espectro vermelho. Os astrônomos chamam esse efeito de redshift. A outra razão é intrínseca: se uma galáxia parou de formar estrelas, ela conterá menos estrelas azuis, que normalmente morrem mais cedo, e ficam com estrelas mais velhas e avermelhadas.
“Mas não vemos isso”, disse Behroozi. “Se as galáxias se comportassem como pensávamos e deixássemos de formar estrelas mais cedo, nosso universo real ficaria totalmente errado. Em outras palavras, somos forçados a concluir que as galáxias formaram estrelas mais eficientemente nos primeiros tempos do que pensávamos. E o que isso nos diz é que a energia criada por buracos negros supermassivos e estrelas explodindo é menos eficiente em sufocar a formação de estrelas do que nossas teorias previram. “
De acordo com Behroozi, a criação de universos simulados de complexidade sem precedentes exigia uma abordagem inteiramente nova que não era limitada pelo poder computacional e pela memória, e fornecia resolução suficiente para abranger as escalas dos “pequenos” – objetos individuais, como supernovas – a um grande pedaço de o universo observável.
“Simular uma única galáxia requer 10 para as 48 operações de computação”, explicou ele. “Todos os computadores da Terra combinados não poderiam fazer isso em cem anos. Então, para simular uma única galáxia, quanto mais 12 milhões, tivemos que fazer isso de forma diferente.”
Além de utilizar recursos de computação no Centro de Pesquisa Ames da NASA e no Leibniz-Rechenzentrum em Garching, na Alemanha, a equipe usou o supercomputador “Ocelote” no cluster de Computação de Alto Desempenho da UA. Dois mil processadores processaram os dados simultaneamente ao longo de três semanas. Ao longo do projeto de pesquisa, Behroozi e seus colegas geraram mais de 8 milhões de universos.
“Nós pegamos os últimos 20 anos de observações astronômicas e os comparamos com os milhões de universos simulados que geramos”, explicou Behroozi. “Reunimos milhares de informações para ver quais correspondiam. O universo que criamos parecia certo? Se não, voltávamos e fizemos modificações, e verificamos novamente.”
Para entender melhor como as galáxias vieram a ser, Behroozi e seus colegas planejam expandir a Máquina do Universo para incluir a morfologia de galáxias individuais e como suas formas evoluem com o tempo.
Publicado em 11/08/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-08-virtual-universe-machine-galaxy-evolution.html
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