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Pesquisadores modelam o nascimento do universo em uma das maiores simulações cosmológicas jamais processadas
IMAGEM: As galáxias têm halos em seus redores que podem ser compostos tanto de matéria escura, como de matéria comum. Esta imagem mostra uma subestrutura dentro de um halo na simulação "Q CONTINUUM" com "sub-halos", marcados com cores diferentes.
CRÉDITO: Imagem de HEITMANN ET AL (uso irrestrito).
Os pesquisadores estão peneirando uma avalanche de dados produzidos por uma das maiores simulações cosmológicas jamais realizadas, liderada pelos cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia (DOE) do Governo dos EUA..
A simulação, processada no supercomputador Titan do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE, modelou a evolução do universo desde apenas 50 milhões de anos após o Big Bang até os dias atuais – de sua primeira infância até sua atual maturidade. Durante o curso de 13,8 bilhões de anos, a matéria do universo se agregou, formando galáxias, estrelas e planetas, mas não sabemos exatamente como isso se deu
Este tipo de simulação auxilia os cientistas a compreender a energia escura, uma forma de energia que afeta a taxa de expansão do universo, inclusive a distribuição das galáxias, compostas por matéria comum e matéria escura, um tipo misterioso de matéria que nenhum instrumento foi capaz de medir até agora,
Levantamentos celestes Intensivos com poderosos telescópios, tais como o Sloan Digital Sky Survey e o novo Dark Energy Survey mostram aos cientistas onde as galáxias e estrelas estavam quando sua luz foi inicialmente emitida. E os levantamentos da Radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, na sigla em inglês), a luz remanescente de quando o universo tinha apenas 300.000 anos de idade, nos mostra como o universo começou – "muito uniforme, com a matéria se agregando ao longo do tempo", nas palavras de Katrin Heitmann, uma física do Argonne que liderou a simulação.
A simulação visa a preencher a lacuna temporal para mostrar como o universo deve ter evoluido nesse intervalo: "A gravidade atua sobre a matéria escura que começa a se aglomerar cada vez mais e, nesses aglomerados, se formam as galáxias", diz Heitmann.
Chamada de "Q Continuum", a simulação envolveu meio trilhão de partículas – dividindo o universo em cubos de 100.000 km de aresta. Isso a torna uma das maiores simulações cosmológicas em uma definição tão grande. Ela rodou usando mais de 90% da capacidade do supercomputador. Para dar uma ideia, normalmente menos de 1% dos trabalhos usam 90% da capacidade do suprcomputador Mira no Argonne, disseram os administradores da Argonne Leadership Computing Facility, do DOE Pessoal de computação, tanto do Argonne, quanto do Oak Ridge, auxiliou a adaptar o programa para rodar no Titan.
"Esta é uma simulação muito detalhada", afirma Heitmann. "Podemos usar esses dados para examinar por que as galáxias se aglomeram desta forma, assim como estudar a física fundamental da própria formação da estrutura".
A análise dos dois e meio petabytes de dados gerados já começou e vai continuar por vários anos, diz ela. Os cientistas podem extrair dados de fenômenos astrofísicos tais como lentes gravitacionais fortes, lentes gravitacionais fracas, lentes de aglomerados e lentes galáxia-galáxia.
O programa para rodar a simulação é chamado de Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), inicialmente escrito em 2008, mais ou menos quando os supercomputadores científicos romperam a barreira do petaflop (um quatrilhão de operações por segundo). O HACC foi projetado com uma flexibilidade inerente que permite que ele rode em supercomputadores com diferentes arquiteturas
Os detalhes do trabalho estão contidos no estudo "The Q continuum simulation: harnessing the power of GPU accelerated supercomputers," publcado em agosto em Astrophysical Journal Supplement Series pela American Astronomical Society. Os outros cientistas do Argonne neste estudo são Nicholas Frontiere, Salman Habib, Adrian Pope, Hal Finkel, Silvio Rizzi, Joe Insley e Suman Bhattacharya, além de Chris Sewell do Laboratório Nacional de Los Alamos (também do DOE).
Tags Modelos de computação, Origens do Universo
O tamanho do Universo: uma pergunta difícil
Atenção! Este post é uma tradução expressamente autorizada pelo autor. A reprodução total ou parcial do mesmo pode ser considerada violação de direitos autorais. O link para o post original de Ethan Siegel em "Starts with a Bang" vai aí abaixo.
Category: Astronomy • Galaxies • Physics • Q & A • big bang • relativity
Posted on: July 31, 2009 3:19 PM, by Ethan Siegel
Me fazem uma mesma pergunta frequentemente e ela é uma das perguntas mais difíceis para qualquer cosmologista responder. Hoje, vou tentar encará-la. Ela é mais ou menos assim:
Se o Universo tem 13,7 bilhões de anos de idade e nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz, como é que podemos ver coisas que estão a 46,5 bilhões de anos-luz de distância?
Em primeiro lugar – e eu quero deixar isto bem claro – tudo nesta pergunta é uma dúvida legítima.
1.) O Universo tem mesmo 13,7 bilhões de anos de idade. Existe um pequeno erro de aproximação aqui – ninguém ficaria surpreso de ele tivesse 13,5 ou 14,0 bilhões de anos – mas certamente não são 12 bilhões ou menos de anos, nem 16 ou mais bilhões de anos.
2.) Nada pode se mover mais rápido do que a velocidade da luz. Se você tiver massa, seja você uma galáxia, uma nave espacial, uma bala ou um neutrino, você terá que ir mais lentamente do que a velocidade da luz. E, se você não tiver massa, vai ter que andar exatamente na velocidade da luz. Sem exceções.
3.) As coisas mais distantes no Universo – coisas que emitiram suas luzes a 13,7 bilhões de anos atrás – estão a 46,5 bilhões de anos-luz de distância de nós agora.
Então, como foi que isso aconteceu? De duas maneiras, uma simples e outra nem tanto. A parte simples é que o Universo vem se expandindo todo esse tempo. Imagine que você tem uma formiga sobre um balão murcho e essa formiga se move a 1 cm/seg. Quando o balão está totalmente murcho, a formiga está a apenas 2 cm do topo do balão, seu destino. Porém, na medida em que ela caminha em direção ao topo, ela percebe que o balão em volta dela está se expandindo.
Como é que acontece essa expansão? Bem, essa é parte não tão simples assim… Expansão não é uma velocidade. É uma velocidade por unidade de distância. Digamos que ela seja de 0,4 cm/seg por centímetro. Isto significa que, se a formiga estiver a 1 cm de alguma coisa, essa coisa se expande para longe dela a 0,4 cm/seg. O topo do balão, que estava inicialmente a 2 cm de distância, se expande para longe a 0,8 cm/seg. E qualquer coisa que estiver a 15 cm de distância, estaria se expandindo para longe a 6 cm/seg.
Então, se eu fizer os cálculos dessa formiga caminhando a 1 cm/seg para um ponto a 2 cm de distância neste balão em expansão, não leva 2 segundos para ela chegar lá. Na verdade – fazendo corretamente os cálculos – leva um pouquinho de nada mais do que 3 segundos para a formiga alcançar seu destino. Além disso, o balão continuou a se expandir, de forma que, quando ela olha de volta para o ponto de partida, você sabe a que distância ele está?… A mais de 6 centímetros! Quando ela olha de volta para o ponto de partida, não só ele está três vezes mais distante do que quando ela começou a viagem, como todo o balão está maior do que era antes.
E é isso que o Universo está fazendo: se expandindo enquanto a luz está viajando em nossa direção, vinda de fontes distantes. Existe, é claro, mais um "busilis" em nosso Universo. A taxa de expansão é abestalhantemente lenta: 72 km por segundo por Megaparsec. Nos termos da formiga, isso é 2,3 x 10-18 cm / segundo / cm. Acontece apenas que nosso Universo é tão grande que, se você se afastar bastante – pouco menos do que 13 bilhões de anos-luz – a taxa de expansão eventualmente fica maior do que a velocidade da luz.
Mas está tudo bem. É somente o espaço (isto é, o balão) que está se expandindo; não há matéria alguma se movendo. Portanto, em princípio, o espaço pode se expandir tão rapidamente quanto quiser, até mais rápido do que a velocidade da luz, porque não há coisa alguma se movendo. E é por isso que, muito embora o
Universo tenha apenas 13,7 bilhões de anos, nós podemos ver coisas a 46,5 bilhões de anos-luz de distância.
Galáxias atingem a "maioridade"
Categorias Astrofísica, Astronomia, Cosmologia, Física
Galáxias chegam à "maioridade" em bolhas cósmicas
Imagem composta do campo estudado. Em amarelo, a imagem da radiação Lyman-alfa, do telescópio Subaru. Em branco, a imagem visível de uma galáxia, do Hubble, combinada com uma em infravermelho (em vermelho) do Spitzer. Em azul, o buraco negro visto pelo Spitzer.
A "maioridade" de galáxias e buracos negros foi identificada, graças aos novos dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA e outros telescópios. Esta descoberta ajuda a compreender a verdadeira natureza das gigan­tescas bolhas de gás observadas em torno de galáxias muito jovens.
Cerca de uma década atrás, os astrônomos descobriram imensos reservatórios de hidro­gênio – que eles batizaram de "bolhas" – ao explorarem jovens galáxias distantes. As bo­lhas brilham luminosas no espectro visível, po­rém a fonte da imensa energia necessária para esse brilho e a natureza desses objetos não es­­tavam claras.
Uma longa observação do Chandra identificou, pela primeira vez, a fonte dessa energia. Os dados de raios-X mostram que uma fonte significativa de energia dentro dessas estru­turas colossais vem de buracos negros super-maciços que ficam parcialmente obscurecidos por densas camadas de poeira e gás. A piro­tecnia da formação de estrelas também parece desempenhar um importante papel – dizem o Telescópio Espacial Spitzer e obser­vações feitas do solo.
"Por dez anos os segredos das bolhas ficou escondido das vistas, mas agora des­cobrimos sua fonte de energia", declarou James Geach da Universidade Durham University do Reino Unido que chefiou o estudo. "Agora podemos con­cluir algumas importantes discussões acerca do papel que elas desempenham na construção original das galáxias e buracos negros".
IMAGEM: Concepção artística de uma galáxia dentro da bolha, vista de perto. As seguidas explosões de supernovas e a ejeção de massa por estrelas em fim de vida geram um poderoso vento que aquece e ilumina as nuvens de gás.
Acredita-se que as galáxias se formam quando o gás flui para dentro sob a ação da gravidade e resfria pela emissão de radiação. Esse pro­cesso deveria terminar quando o gás fosse aquecido pela radiação e escapasse das galá­xias e seus buracos negros. As bolhas pode­riam ser um sinal desse primeiro estágio, ou do segundo.
Com base nos novos dados e em argumentos teóricos, Geach e seus colegas mostram que o aquecimento do gás pelos buracos negros su­per-maciços e as emissões das estrelas em formação, em lugar de resfriar o gás, mais provavelmente energiza as bolhas. Isso implica em que as bolhas representam um estágio on­de as galáxias e os buracos negros estão ape­nas começando a desligar seu rápido cres­ci­mento por causa desses processos de aqueci­mento. Este é um estágio crucial da evolução de galáxias e buracos negros – conhecido como "feedback" – e um que os astrônomos faz tempo tentam compreender.
"Nós estamos vendo sinais de que as galáxias e buracos negros dentro dessas bolhas que es­tão atingindo a maioridade e agora estão empurrando o gás para fora para impedir um futuro crescimento", diz o co-autor Bret Lehmer, também de Durham. "As galá­xias maciças têm que passar por um estágio assim, ou elas formariam estrelas de­mais e acabariam ficando ridiculamente grandes nos dias atuais".
O Chandra e uma coleção de outros telescópios, inclusive o Spitzer, observaram 29
bolhas em um grande campo nos céus, batizado de "SSA22." Essas bolhas, que medem centenas de milhares de anos-luz, são vistas como eram quando o Universo tinha apenas cerca de dois bilhões de anos, ou seja: aproximadamente 15% de sua idade atual.
IMAGEM: Outra concepção artística de uma galáxia dentro da bolha. Os braços espirais da galáxia aparecem em amarelo e branco. Em amarelo vivo, as emissões do buraco negro gigante o centro da mesma.
Em cinco dessas bolhas, os dados do Chandra revelaram a assinatura de buracos negros su­per-maciços em desenvolvimento – uma fonte puntual que brilha fortemente na faixa dos raios-X. Acredita-se que existam esses buracos negros gigantes nos centros da maio­ria das galáxias, inclusive a nossa. Outras três bolhas nesse campo mostram prováveis indí­cios desses buracos negros. Com base em outras observações, inclusive do Spitzer, a equi­pe de pesquisadores foi capaz de esta­belecer que várias dessas galáxias também são dominadas por notáveis níveis de forma­ção de estrelas.
De acordo com os cálculos, a radiação e os poderosos fluxos vindos desses buracos ne­gros e estrelas em formação são suficiente­mente energéticos para causar o brilho do gás de hidrogênio nas bolhas onde residem. Nos casos onde as assinaturas desses buracos ne­gros não foram detectadas, as bolhas são, em geral, menos luminosas. Os autores mostram que buracos negros com energia suficiente para "iluminar" essas bolhas ainda seriam muito fra­cos para serem detectados, dada a exten­são das observações feitas pelo Chandra.
Além de explicar a fonte de energia dessas bolhas, esses resultados ajudam a explicar seu futuro. Dentro do cenário de aquecimento, o gás nessas bolhas não se resfriaria para formar estrelas e iria se somar ao gás aquecido que se en­contra nos espaços intergaláticos. A própria SSA22 pode evoluir para um maciço aglomerado galático.
Segundo Geach: "No início, as bolhas devem ter alimentado suas galáxias, mas o que vemos agora parecem mais ser sobras. Isso quer dizer que teremos que procurar ainda mais atrás no tempo para flagrar as galáxias e buracos negros no ato de formarem bolhas".
Esses resultados serão publicados na edição de 10 de julho da Astrophysical Journal. O Centro de Voo Espacial Marshall da NASA, em Huntsville, Alabama, gerencia o programa Chandra para a Diretoria de Missões Científicas da NASA em Washington.
O Smithsonian Astrophysical Observatory controla as opera­ções científicas e de voo do Chandra desde Cambridge, Massachusets.
Super-sensores do NIST medirão a "assinatura" do universo inflacionário
O que aconteceu no primeiro trilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo após o Big Bang?
Detectores de micro-ondas super-sensíveis, construídos no National Institute of Standards and Technology (NIST), podem ajudar os cientistas a descobrir em breve.
Os novos sensores, descritos hoje no encontro da Sociedade Americana de Física (Ameri­can Physical Society = APS) em Denver, foram fabricados para uma experiência potencial­mente revolucionária – a Busca pelo Modo-B em Atacama, Atacama B-mode Search (ABS) – realizada por uma colaboração que envolve o NIST, a Universidade de Princeton, a Univer­sidade do Colorado em Boulder e a Universidade de Chicago.
Embora o NIST seja mais conhecido por suas medições na Terra, um projeto já antigo que funciona no campus de Boulder desempenha um papel de relevo no estudo do Fundo Cós­mico de Micro-ondas (cosmic microwave background = CMB) — o apagado resquício da lu­minosidade do Big Bang que ainda permeia o universo. Esse projeto construiu anteriormen­te amplificadores super-condutivos e câmeras para experiências com o CMB no Polo Sul, em observatórios a bordo de balões, e no Planalto de Atacama no
A nova experiência vai começar em aproximadamente um ano no deserto chileno e consisti­rá da colocação de um grande dispositivo de sensores do NIST em um telescópio montado em um contêiner de carga adaptado.
Os detectores vão procurar por pequenas "impressões digitais" sutís no CMB, causados por ondas gravitacionais primevas — ondulações na tessitura do espaço-tempo nascidas do par­to violento do universo, há mais de 13 bilhões de anos. Acredita-se que essas ondas te­­nham deixado uma marca, tênue porém inconfundível, na direção do campo elétrico do CMB, chamadas de "polarização modo-B". Essas ondas — cuja existência jamais foi con­firmada por meio de medições — ainda são potencialmente detectáveis, contanto que se empregue equipamento suficientemente sensível.
"Este é um dos grandes desafios de medição que confrontam a comunidade científica nos próximos 20 anos e também um dos mais excitantes", disse Kent Irwin, o físico do NIST en­carregado do projeto.
Caso descobertas, essas ondas seriam o indício mais claro já encontrado em apoio à "teo­ria da inflação", que propõe que todo o universo atualmente observável se expandiu rapida­mente a partir de um volume subatômico, deixando um rastro de ondas gravitacionais no fun­do cósmico de micro-ondas.
"A polarização em modo-B é a mais significativa peça de indícios a ser observada em todos os tempos", declarou Ki Won Yoon, pós-graduado do NIST, encarregado de apresentar o projeto na reunião da APS. "A detecção de ondas gravitacionais primordiais através da pola­rização do CMB seria um enorme passo para colocar a teoria da inflação sobre bases sóli­das".
Os dados também podem dar aos cientistas novas perspectivas sobre diferentes modelos de teoria das cordas para o universo e outras teorias "unificadas" da física.
Esse tipo de experiência só pode ser realizado se estudarmos o universo como um todo, já que as partículas e os campos eletromagnéticos, no início da era inflacionária, eram apro­ximadamente 10 bilhões de vezes mais quentes do que as energias alcançáveis pelo mais poderoso colisor de partículas existente na Terra. Nessa escala de energia, é previsto que as forças fundamentais, atualmente identificadas como coisas distintas, se unifiquem.
Irwin disse: "O universo é um laboratório de física: se olharmos para longe, na verdade esta­remos olhando para trás no tempo, podendo observar interações que aconteceram em ní­veis de energias que estão para sempre fora do alcance das experiências terrestres".
Estudos recentes sobre o CMB vinham se focalizando na medição de ligeiras variações es­paciais na temperatura ou na energia existentes cerca de 380.000 anos após o Big Bang. Esses padrões de radiação permitem aos cientistas caracterizar as primeiras distribuições de matéria e energia que evoluíram para formar as estrelas e galáxias que vemos hoje.
Comparando as medições realizadas às previsões feitas pelas várias teorias, os cientistas tornam cada vez mais precisa a história do universo, por exemplo, estreitando sua possível idade (hoje estimada em 13,7 bilhões de anos).
Em contraste, os novos detectores do NIST são projetados para medir não só a temperatu­ra, mas também a polarização. Os sinais da polarização em modo-B podem ser mais de um milhão de vezes mais tênues do que os sinais da temperatura.
Para conseguir detectar padrões tão sutís, os detectores do NIST vão coletar significativas quantidades de radiação de modo eficiente e não terão partes móveis e outras fontes tradi­cionais de erros sistemáticos, tais como vibrações e interferência magnética, segundo Irwin. Além disso, serão necessários um avançado sistema de processamento de sinais e contro­le de erros.
Os novos sensores são protótipos para dispositivos polarímetros do NIST que aumentarão grandemente a sensibilidade de experiências futuras, com a construção de milhares de de­tectores em unidades monolíticas que podem ser instalados em câmeras de telescópio crio­gênicas. Os novos detectores do NIST também podem ter aplicações mais domésticas, tais como a redução do clarão em sistemas de imageamento da faixa dos terahertz para a de­tec­ção de armas e outros contrabandos.