Uma equipe de astrofísicos acabou de gerar 8 milhões de universos únicos dentro de um supercomputador e permitiu que eles evoluíssem de pequenos a velhos velhotes. Objetivo deles? Determinar o papel que uma substância invisível chamada matéria escura desempenhou na vida de nosso universo desde o Big Bang e o que isso significa para o nosso destino.
Depois de descobrir que nosso universo é composto principalmente de matéria escura no final da década de 1960, os cientistas especularam sobre seu papel na formação de galáxias e sua capacidade de gerar novas estrelas ao longo do tempo.
De acordo com a teoria do Big Bang, pouco depois do nascimento do universo, uma substância invisível e ilusória que os físicos apelidaram de matéria escura começou a se agrupar pela força da gravidade em nuvens maciças chamadas halos de matéria escura. À medida que os halos aumentavam de tamanho, atraíam o esparso gás hidrogênio que permeava o universo se unir e formar as estrelas e galáxias que vemos hoje. Nesta teoria, a matéria escura atua como a espinha dorsal das galáxias, ditando como elas se formam, se fundem e evoluem ao longo do tempo.
Para entender melhor como a matéria escura moldou essa história do universo, Peter Behroozi, professor assistente de astronomia da Universidade do Arizona, e sua equipe criaram seus próprios universos usando o supercomputador da escola. Os 2.000 processadores do computador trabalharam sem pausa durante três semanas para simular mais de 8 milhões de universos únicos. Cada universo obedeceu individualmente a um conjunto único de regras para ajudar os pesquisadores a entender a relação entre a matéria escura e a evolução das galáxias.
"No computador, podemos criar muitos universos diferentes e compará-los com o atual, e isso permite inferir quais regras levam ao que vemos", disse Behroozi em comunicado.
Embora as simulações anteriores tenham focado na modelagem de galáxias únicas ou na geração de universos simulados com parâmetros limitados, o UniverseMachine é o primeiro de seu escopo. O programa criou continuamente milhões de universos, cada um contendo 12 milhões de galáxias, e cada um deles evoluiu ao longo de quase toda a história do universo real, de 400 milhões de anos após o Big Bang até os dias atuais.
"A grande questão é: 'Como as galáxias se formam?'", Disse a pesquisadora Risa Wechsler, professora de física e astrofísica na Universidade de Stanford. "O mais interessante deste estudo é que podemos usar todos os dados que temos sobre a evolução das galáxias - o número de galáxias, quantas estrelas eles têm e como eles formam essas estrelas - e juntar isso em uma imagem abrangente da última 13 bilhões de anos do universo ".
Criar uma réplica do nosso universo, ou mesmo de uma galáxia, exigiria uma quantidade inexplicável de poder de computação. Então Behroozi e seus colegas restringiram seu foco a duas propriedades principais das galáxias: sua massa combinada de estrelas e a taxa com que elas dão à luz novas.
"Simular uma única galáxia requer de 10 a 48 operações de computação", explicou Behroozi, referindo-se a uma operação de octilhão, ou 1 seguido de 48 zeros. "Todos os computadores combinados na Terra não conseguiram fazer isso em cem anos. Então, para simular uma única galáxia, quanto mais 12 milhões, tivemos que fazer isso de maneira diferente".
À medida que o programa gera novos universos, ele adivinha como a taxa de formação de estrelas de uma galáxia está relacionada à sua idade, às interações passadas com outras galáxias e à quantidade de matéria escura em sua auréola. Em seguida, ele compara cada universo com observações reais, ajustando os parâmetros físicos a cada iteração para melhor corresponder à realidade. O resultado final é um universo quase idêntico ao nosso.
Segundo Wechsler, seus resultados mostraram que a taxa na qual as galáxias dão à luz estrelas está intimamente ligada à massa de seus halos de matéria escura. Galáxias com massas de halo de matéria escura mais semelhantes à nossa Via Láctea apresentaram as maiores taxas de formação de estrelas. Ela explicou que a formação estelar é sufocada em galáxias mais massivas por uma abundância de buracos negros
Suas observações também desafiaram crenças de longa data de que a matéria escura sufocou a formação de estrelas no universo primitivo.
"Quando voltamos mais cedo e mais cedo no universo, esperamos que a matéria escura seja mais densa e, portanto, o gás esteja ficando 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 descobrimos o contrário: as galáxias de um determinado tamanho eram mais propensas a formar estrelas a uma taxa mais alta, contrariando as expectativas".
Agora, a equipe planeja expandir o UniverseMachine para testar outras maneiras pelas quais a matéria escura pode afetar as propriedades das galáxias, incluindo como suas formas evoluem, a massa de seus buracos negros e com que frequência suas estrelas se tornam supernovas.
"Para mim, o mais emocionante é que agora temos um modelo em que podemos começar a fazer todas essas perguntas em uma estrutura que funcione", disse Wechsler. "Temos um modelo que é barato o suficiente em termos computacionais, para que possamos essencialmente calcular um universo inteiro em cerca de um segundo. Então podemos fazer isso milhões de vezes e explorar todo o espaço dos parâmetros".
O grupo de pesquisa publicou seus resultados na edição de setembro da revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
