Pesquisadores do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) atingiram um marco histórico na astrofísica ao realizar a maior simulação cosmológica já feita.

O experimento foi conduzido no Frontier, supercomputador localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), considerado o mais rápido do mundo. O feito estabelece um novo padrão para simulações de hidrodinâmica cosmológica, integrando matéria atômica e matéria escura em escalas sem precedentes.

Segundo Salman Habib, diretor da divisão de Ciências Computacionais no Laboratório Nacional de Argonne, a simulação é essencial para entender o comportamento do universo. “Existem dois componentes principais no universo: matéria escura, que interage apenas gravitacionalmente, e matéria convencional. Para compreender o cosmos, é necessário simular ambos, incluindo gravidade, gases quentes, formação de estrelas, buracos negros e galáxias”, afirmou Habib.

Essas simulações, chamadas de hidrodinâmica cosmológica, são extremamente complexas e exigem uma capacidade computacional muito superior às simulações tradicionais baseadas apenas na gravidade. O uso do Frontier possibilitou alcançar resultados que até então eram considerados impossíveis, permitindo a modelagem de bilhões de anos de evolução do universo em dimensões comparáveis a grandes observatórios, como o telescópio Rubin, no Chile.

Avanços no código e infraestrutura

A conquista foi viabilizada pelo HACC (Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code), desenvolvido há 15 anos e constantemente aprimorado. Nos últimos sete anos, a equipe do projeto ExaSky — parte da iniciativa Exascale Computing Project (ECP) — otimizou o HACC para máquinas exascale, capazes de realizar mais de um quintilhão de cálculos por segundo. O Frontier, equipado com GPUs AMD Instinct MI250X, executou o código até 300 vezes mais rápido que em máquinas anteriores.

“Além do tamanho do domínio físico, a inclusão de processos dinâmicos, como a interação de baryons e outros fenômenos físicos, adiciona um realismo inédito à simulação”, disse Bronson Messer, diretor de ciência do ORNL.

Os cálculos no Frontier envolveram aproximadamente 9.000 nós de computação, enquanto simulações complementares foram realizadas em supercomputadores como Perlmutter (Laboratório Nacional de Berkeley) e Aurora (Laboratório Nacional de Argonne). Essas plataformas fazem parte dos centros de usuários do DOE, que apoiaram o projeto com financiamento do ECP e de programas avançados de pesquisa em física de altas energias.

Implicações para o futuro

Com esses avanços, os cientistas estão cada vez mais próximos de desvendar a interação entre matéria escura e matéria atômica, além de correlacionar os modelos computacionais a observações astronômicas reais. As simulações do Frontier abrem novas possibilidades para o estudo do universo, contribuindo para resolver desafios científicos cruciais.

O DOE, por meio do Escritório de Ciências, é o maior apoiador de pesquisas básicas em ciências físicas nos Estados Unidos e continua investindo em tecnologias que expandem os limites do conhecimento humano.