A última jornada de Mira: Explorando o Universo escuro

 Caros Leitores;

Visualização da simulação da Última Viagem. É mostrada a estrutura em grande escala do Universo como uma fatia fina através da simulação completa (canto inferior esquerdo) e zoom-ins em diferentes níveis. O painel inferior direito mostra uma das maiores estruturas da simulação. Crédito: Laboratório Nacional de Argonne.

Uma equipe de físicos e cientistas da computação do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) realizou uma das cinco maiores simulações cosmológicas de todos os tempos. Os dados da simulação informarão os mapas do céu para auxiliar na condução de experimentos cosmológicos em grande escala.

A simulação , chamada de Última Jornada, segue a distribuição de massa pelo universo ao longo do tempo, em outras palavras, como a gravidade faz com que uma misteriosa substância invisível chamada "matéria escura" se aglomere para formar estruturas em escala maior chamadas halos, dentro das quais galáxias formar e evoluir.

“Aprendemos e nos adaptamos muito durante a vida de Mira, e esta é uma oportunidade interessante de olhar para trás e olhar para frente ao mesmo tempo.” - Adrian Pope, físico de Argonne

Os cientistas realizaram a simulação no supercomputador Mira de Argonne. A mesma equipe de cientistas executou uma simulação cosmológica anterior chamada Outer Rim em 2013, poucos dias depois que o Mira foi ligado. Depois de executar simulações na máquina ao longo de sua vida útil de sete anos, a equipe marcou a aposentadoria de Mira com a simulação da Última Jornada.

The Last Journey demonstra o quão longe a tecnologia observacional e computacional avançou em apenas sete anos, e irá contribuir com dados e ideias para experimentos como o experimento de fundo cósmico baseado em microondas Stage-4 (CMB-S4), o Legacy Survey of Space e o Tempo (realizado pelo Observatório Rubin no Chile), o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura e duas missões da NASA, o Telescópio Espacial Romano e o SPHEREx.

"Trabalhamos com um enorme volume do Universo e estávamos interessados ​​em estruturas de grande escala, como regiões de milhares ou milhões de galáxias, mas também consideramos a dinâmica em escalas menores", disse Katrin Heitmann, vice-diretora de divisão da Argonne's High Divisão de Física da Energia (HEP).

O código que construiu o cosmos

O período de seis meses para a simulação do Last Journey e as principais tarefas de análise apresentaram desafios únicos para o desenvolvimento de software e fluxo de trabalho. A equipe adaptou parte do mesmo código usado para a simulação Outer Rim 2013 com algumas atualizações significativas para fazer uso eficiente do Mira, um sistema IBM Blue Gene / Q que estava alojado no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um escritório DOE de Facilidade do usuário de ciências.

Especificamente, os cientistas usaram o Hardware / Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) e sua estrutura de análise, CosmoTools, para permitir a extração incremental de informações relevantes ao mesmo tempo em que a simulação estava sendo executada.

"Operar a máquina completa é um desafio porque ler a enorme quantidade de dados produzidos pela simulação é caro do ponto de vista computacional, então você tem que fazer muitas análises em tempo real", disse Heitmann. "Isso é assustador, porque se você cometer um erro com as configurações de análise, não terá tempo de refazê-lo".

A equipe fez uma abordagem integrada para realizar o fluxo de trabalho durante a simulação. O HACC faria a simulação avançar no tempo, determinando o efeito da gravidade na matéria durante grandes porções da história do universo. Depois que o HACC determinou as posições de trilhões de partículas computacionais que representam a distribuição geral da matéria, CosmoTools entraria para registrar informações relevantes - como encontrar os bilhões de halos que hospedam galáxias - para usar para análise durante o pós-processamento.

"Quando sabemos onde as partículas estão em um determinado ponto no tempo, caracterizamos as estruturas que se formaram usando CosmoTools e armazenamos um subconjunto de dados para uso posterior", disse Adrian Pope, físico e principal do HACC and CosmoTools desenvolvedor na divisão de Ciência da Computação (CPS) da Argonne. "Se encontrarmos um aglomerado denso de partículas, isso indica a localização de um halo de matéria escura, e galáxias podem se formar dentro desses halos de matéria escura".

Os cientistas repetiram esse processo entrelaçado - onde o HACC move as partículas e o CosmoTools analisa e registra dados específicos - até o final da simulação. A equipe então usou recursos do CosmoTools para determinar quais aglomerados de partículas provavelmente hospedariam galáxias. Para referência, cerca de 100 a 1.000 partículas representam galáxias individuais na simulação.

“Gostaríamos de mover partículas, fazer análises, mover partículas, fazer análises”, disse Pope. "No final, voltaríamos aos subconjuntos de dados que escolhemos cuidadosamente para armazenar e executar análises adicionais para obter mais informações sobre a dinâmica da formação da estrutura, como quais halos se fundiram e quais acabaram orbitando uns aos outros.".

Usando o fluxo de trabalho otimizado com HACC e CosmoTools, a equipe executou a simulação na metade do tempo esperado.

Contribuição da comunidade

A simulação da Última Jornada fornecerá dados necessários para outros experimentos cosmológicos importantes usarem ao comparar observações ou tirar conclusões sobre uma série de tópicos. Esses insights podem lançar luz sobre tópicos que vão desde mistérios cosmológicos, como o papel da matéria escura e da energia escura na evolução do universo, até a astrofísica da formação de galáxias em todo o Universo.

"Este enorme conjunto de dados que eles estão construindo alimentará muitos esforços diferentes", disse Katherine Riley, diretora de ciência da ALCF. "No final das contas, essa é nossa missão principal - ajudar a fazer ciência de alto impacto. Quando você pode não apenas fazer algo legal, mas alimentar uma comunidade inteira, é uma grande contribuição que terá um impacto por muitos anos ".

A simulação da equipe irá abordar inúmeras questões fundamentais em cosmologia e é essencial para permitir o refinamento de modelos existentes e o desenvolvimento de novos, impactando pesquisas cosmológicas em andamento e futuras.

"Não estamos tentando combinar nenhuma estrutura específica no Universo real", disse Pope. "Em vez disso, estamos criando estruturas estatisticamente equivalentes, o que significa que se olharmos nossos dados, poderíamos encontrar locais onde viveriam galáxias do tamanho da Via Láctea. Mas também podemos usar um universo simulado como uma ferramenta de comparação para encontrar tensões entre nossa compreensão teórica atual da cosmologia e o que observamos".

Procurando exascale

“Pensando em quando executamos a simulação do Outer Rim, você pode realmente ver o quão longe essas aplicações científicas chegaram”, disse Heitmann, que realizou Outer Rim em 2013 com a equipe HACC e Salman Habib, diretor da divisão CPS e Argonne Distinguished Fellow. "Foi incrível administrar algo substancialmente maior e mais complexo que trará tanto para a comunidade".

Enquanto Argonne trabalha para a chegada de Aurora, o próximo supercomputador exascale do ALCF, os cientistas estão se preparando para simulações cosmológicas ainda mais extensas. Os sistemas de computação Exascale serão capazes de realizar um bilhão de bilhões de cálculos por segundo - 50 vezes mais rápido do que muitos dos mais poderosos supercomputadores em operação hoje.

“Aprendemos e nos adaptamos muito durante a vida de Mira, e esta é uma oportunidade interessante de olhar para trás e olhar para a frente ao mesmo tempo”, disse Pope. "Ao nos prepararmos para simulações em máquinas exascale e uma nova década de progresso, estamos refinando nosso código e ferramentas de análise e podemos nos perguntar o que não estávamos fazendo por causa das limitações que tínhamos até agora".

The Last Journey foi uma simulação apenas da gravidade, o que significa que não considerou interações como a dinâmica dos gases e a física da formação estelar. A gravidade é o principal jogador da cosmologia em grande escala, mas os cientistas esperam incorporar outras físicas em simulações futuras para observar as diferenças que fazem na forma como a matéria se move e se distribui pelo Universo ao longo do tempo.

"Cada vez mais, encontramos relacionamentos fortemente acoplados no mundo físico e, para simular essas interações, os cientistas precisam desenvolver fluxos de trabalho criativos para processamento e análise", disse Riley. "Com essas iterações, você pode chegar a suas respostas - e suas descobertas - ainda mais rápido".

Um artigo sobre a simulação, intitulado "The Last Journey. I. Uma simulação em escala extrema no supercomputador Mira", foi publicado em 27 de janeiro na Astrophysical Journal Supplement Series . Os cientistas estão atualmente preparando documentos de acompanhamento para gerar catálogos sintéticos detalhados do céu.

Explore mais

Grande simulação cosmológica para rodar no Mira

Mais informações: Katrin Heitmann et al. A última jornada. I. Uma simulação em escala extrema no supercomputador Mira. The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 252, Número 2, publicado em 27 de janeiro de 2021. DOI: 10.3847 / 1538-4365 / abcc67

Informações da revista: Astrophysical Journal Supplement 

Fornecido por Argonne National Laboratory

Fonte: Phys News / por Savannah Mitchem, Argonne National Laboratory  / 27-01-2021     

https://phys.org/news/2021-01-mira-journey-exploring-dark-universe.html 

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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.

Membro da Society for Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA (NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).

Participa do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.

Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.

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