Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia criaram a maior simulação astrofísica do Universo de todos os tempos. Eles usaram o que até recentemente era o supercomputador mais poderoso do mundo para simular o Universo em uma escala sem precedentes. O tamanho da simulação corresponde aos maiores levantamentos realizados por poderosos telescópios e observatórios.
O Supercomputador Frontier está localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee. É o segundo supercomputador mais rápido do mundo, atrás apenas O Capitãoqual avançou em novembro2024. Frontier é o primeiro do mundo exaescala supercomputador, embora El Capitan tenha se juntado às fileiras da supercomputação em exaescala.
A nova simulação Frontier bateu recordes e é agora a maior simulação do Universo já realizada. Sua computação em exaescala permite simular um nível de detalhe que era inacessível antes de sua implementação. A Exascale é tão avançada que é difícil explorar plenamente as suas capacidades sem novos paradigmas de programação.
Frontier é um salto significativo em simulações astrofísicas. Abrange um volume do Universo com 10 bilhões de anos-luz de diâmetro. Ele incorpora modelos físicos detalhados para matéria escura, energia escura, dinâmica de gases, formação de estrelas e crescimento de buracos negros. Deverá fornecer novas informações sobre alguns dos processos fundamentais do Universo, tais como a forma como as galáxias se formam e como a estrutura em grande escala do Universo evolui.
“Existem dois componentes no universo: a matéria escura – que, até onde sabemos, apenas interage gravitacionalmente – e a matéria convencional, ou matéria atômica.” disse o líder do projeto Salman Habib, diretor da divisão de Ciências Computacionais da Argonne.
“Então, se quisermos saber o que o universo está fazendo, precisamos simular ambas as coisas: a gravidade, bem como todas as outras físicas, incluindo gás quente e a formação de estrelas, buracos negros e galáxias”, disse ele. . “A ‘pia da cozinha’ astrofísica, por assim dizer. Essas simulações são o que chamamos de simulações de hidrodinâmica cosmológica.”
Simulações de hidrodinâmica cosmológica combinam cosmologia com hidrodinâmica e permitem aos astrónomos examinar as complexas inter-relações entre a gravidade e coisas como a dinâmica dos gases e os processos estelares que moldaram e continuam a moldar o nosso Universo. Eles só podem ser conduzidos com supercomputadores devido ao nível de complexidade e ao grande número de equações numéricas e cálculos envolvidos.
A enorme quantidade de energia necessária para o Frontier realizar essas simulações é impressionante. Consome cerca de 21 MW de eletricidade, o suficiente para abastecer cerca de 15.000 residências unifamiliares nos EUA. Mas a recompensa é igualmente impressionante.
“Por exemplo, se simulássemos uma grande parte do Universo pesquisada por um dos grandes telescópios como o Observatório Rubin, no Chile, estaríamos a falar de observar enormes períodos de tempo – milhares de milhões de anos de expansão”, disse Habib. disse. “Até recentemente, não podíamos sequer imaginar fazer uma simulação tão grande como essa, exceto na aproximação apenas da gravidade.”
“Não é apenas o tamanho do domínio físico que é necessário para fazer uma comparação direta com as observações de pesquisas modernas possibilitadas pela computação em exaescala”, disse Bronson Messer, diretor científico do Oak Ridge Leadership Computing Facility. “É também o realismo físico adicional de incluir os bárions e todas as outras físicas dinâmicas que torna esta simulação um verdadeiro tour de force para Frontier.”
Frontier simula mais do que apenas o Universo. Em junho, os pesquisadores que trabalham com ele alcançaram outro marco. Eles simularam um sistema de 466 bilhões de átomos em uma simulação de água. Esse foi o maior sistema já modelado e mais de 400 vezes maior que o seu concorrente mais próximo. Como a água é o principal componente das células, o Frontier está abrindo caminho para uma eventual simulação de uma célula viva.
A Frontier também promete fazer avanços em várias outras áreas, incluindo fissão e fusão nuclear e sistemas de transmissão de energia em grande escala. Também foi usado para gerar uma simulação de dinâmica molecular quântica 1.000 vezes maior em tamanho e velocidade do que qualquer um de seus antecessores. Também tem aplicações na modelagem de doenças, no desenvolvimento de novos medicamentos, melhores baterias, melhores materiais, incluindo concreto, e na previsão e mitigação das mudanças climáticas.
Simulações astrofísicas/cosmológicas como a da Frontier são poderosas quando combinadas com observações. Os cientistas podem usar simulações para testar modelos teóricos em comparação com dados observacionais. A alteração das condições e parâmetros iniciais nas simulações permite aos pesquisadores ver como diferentes fatores moldam os resultados. É um processo iterativo que permite aos cientistas atualizar os seus modelos, identificando discrepâncias entre observações e simulações.
A enorme simulação da Frontier é apenas um exemplo de como os supercomputadores e a IA estão assumindo um papel mais importante na astronomia e na astrofísica. A astronomia moderna gera enormes quantidades de dados e requer ferramentas poderosas para gerenciar. Nossas teorias de cosmologia são baseadas em conjuntos de dados cada vez maiores que exigem enorme poder de computação para serem simulados.
O Frontier já foi substituído pelo El Capitan, outro supercomputador exascale do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL). No entanto, El Capitan está focado na gestão do estoque nuclear do país de acordo com o LLNL.
