Esta é uma visualização computacional de uma simulação cosmológica que faz parte do projeto ExaSky. Mostra como o gás é distribuído nos dias atuais. A inserção destaca os detalhes de um aglomerado de galáxias com centenas a milhares de galáxias. Crédito:Michael Buehlmann e equipe HACC, Argonne National Laboratory Criar múltiplos universos para ver como eles funcionam pode ser tentador para os cientistas, mas obviamente não é possível. Isto é, contanto que você precise de universos físicos. Se você conseguir se contentar com os virtuais, há muito mais opções.
Os cosmólogos estão desenvolvendo simulações computacionais do universo projetadas para funcionar em computadores exaescala. Esses modelos estão aproveitando esses supercomputadores para fornecer novos insights sobre o passado e o presente do nosso universo.
Os cientistas estão desenvolvendo essas simulações para ajudá-los a explorar algumas das maiores questões da física. Os cosmólogos sabem que a matéria escura representa cerca de 85% da massa do universo.
No entanto, eles ainda estão trabalhando para entender como isso influencia a estrutura do próprio universo. A luz das supernovas ajudou-nos a compreender que o Universo se expande a um ritmo mais rápido a cada ano. Mas a “energia escura” que está a causar esta expansão acelerada ainda é um mistério.
As simulações usam dados observacionais de telescópios que mapeiam o céu atual para testar várias hipóteses sobre como o universo evoluiu. O Escritório de Ciência do DOE apoia vários telescópios que coletam grandes quantidades de dados. O primeiro lote de dados do Instrumento Espectroscópico de Energia Escura no Arizona contém informações apenas sobre dois milhões de objetos celestes. Quando a câmera Legacy Survey of Space and Time (LSST) do Observatório Vera C. Rubin começar a coletar dados, ela tirará centenas de imagens todas as noites durante 10 anos.
Os cosmólogos usam esses dados para criar mapas enormes do céu que vão muito além do que podemos ver na Terra. Estas “pesquisas do céu” podem ajudar-nos a responder a perguntas sobre a energia escura, a matéria escura e outros fenómenos cósmicos. As simulações também podem ajudar os cientistas a descobrir as melhores estratégias para observar o céu – para onde olhar, com que frequência e a que profundidade.
Além de analisar as observações atuais, os cosmólogos desenvolvem simulações que lhes permitem criar muitas versões diferentes do mesmo universo. Cada versão é baseada em diferentes suposições sobre como o universo evoluiu. Ao comparar estas versões com os mapas baseados em observações, os cientistas podem ver quais os pressupostos que podem estar mais próximos da realidade.
O projeto ExaSky se concentrou no desenvolvimento dessas simulações para rodar em computadores exascale. Os computadores Exascale podem realizar um bilhão de bilhões de operações de ponto flutuante (uma forma de cálculo) por segundo. Em comparação, seriam necessários cinco anos consecutivos para que todas as pessoas do mundo resolvessem problemas de matemática para completar um número semelhante de cálculos manualmente.
Frontier no Oak Ridge Leadership Computing Facility (uma instalação para usuários do DOE Office of Science) foi o primeiro computador exascale a ficar online em maio de 2022. O próximo - Aurora no Argonne Leadership Computing Facility (outra instalação para usuários) - será lançado em breve.
Esses computadores têm desempenho e memória para lidar com as enormes quantidades de computação e dados produzidos pelas simulações. Além do suporte às instalações dos usuários, o Office of Science também apoiou a ExaSky por meio do Exascale Computing Project e do programa Scientific Discovery through Advanced Computing.
Felizmente, os cientistas da ExaSky não começaram do zero. Este projeto baseou-se em dois conjuntos principais de códigos de computador que alimentaram simulações anteriores. Os códigos simulam como bilhões de galáxias se formaram e se organizaram no que os cientistas chamam de teia cósmica. Os programas incluem parâmetros sobre a estrutura e a física de galáxias individuais, bem como como elas interagem entre si e com a matéria escura por meio da gravidade.
Os cientistas do projeto ExaSky atualizaram esses códigos para aproveitar ao máximo as capacidades dos computadores em exaescala. Os computadores Exascale usam unidades de processamento gráfico (GPUs) – semelhantes às usadas para gráficos de videogame – para processamento, além de unidades centrais de processamento (CPUs), como em um laptop típico. Ajustar-se a esta forma diferente de hardware muitas vezes requer revisões substanciais nos códigos.
Mas executar essas simulações em computadores exaescala tem grandes vantagens. Esses computadores podem executar simulações muito grandes com muito mais rapidez. Essa velocidade permite reduzir o tempo de resposta a determinados problemas de meses para horas. Também lhes permitirá abordar novas questões que anteriormente seriam impossíveis de fazer.
Além disso, os programas ExaSky podem simular uma enorme variedade de escalas, desde o tamanho das menores galáxias até uma distância inferior a um quinto do caminho até a borda do universo observável. Essa é uma escala de 1 a 10 milhões.
Os computadores Exascale também estão permitindo que os cientistas desenvolvam novos modelos que podem descrever processos que as simulações atuais não podem incluir. Por exemplo, núcleos galácticos ativos são áreas nos núcleos centrais das galáxias que emitem radiação. Os buracos negros supermassivos provavelmente os causam.
Embora estes núcleos galácticos ativos sejam milhões de vezes mais massivos que o nosso Sol, os processos que os formam ainda estão numa escala demasiado pequena para serem incluídos nas simulações atuais. As simulações ExaSky serão capazes de incluir esses fenômenos utilizando modelos aproximados.
As maiores questões da cosmologia e as maiores estruturas do universo são difíceis para os humanos entenderem. Cientistas que usam computadores em exaescala para executar simulações estão fornecendo insights sobre o passado, o presente e o futuro do nosso universo.
