Usando o poder do Frontier, um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, cientistas descobriram como as galáxias regulam a energia liberada por buracos negros supermassivos em seu núcleo, ao longo de bilhões de anos, um mistério de longa data. Detalhes do estudo foram publicados recentemente no periódico The Astrophysical Journal.
A investigação forneceu os resultados mais claros até o momento a respeito de como os aglomerados de galáxias sobrevivem desde a criação do universo sem colapsar. Eles estão entre as maiores estruturas já estudadas, com milhões de anos-luz de diâmetro e buracos negros maiores que o sistema solar em suas áreas centrais.
Quais foram as descobertas?
Para solucionar o mistério, a equipe de pesquisadores internacionais simulou um buraco negro com massa 1 bilhão de vezes maior que o Sol no centro de um aglomerado de galáxias com 1 quatrilhão de massas solares. O teste aconteceu no supercomputador hospedado no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
- A simulação incluiu cada etapa dos ciclos dos jatos do buraco negro, que frequentemente bombeiam calor, poeira e gás em seus ambientes, com parte desse material orbitando os núcleos em discos de acreção e as demais indo além das galáxias;
- Durante o experimento, os pesquisadores testaram várias suposições de modelos, aproveitando a capacidade de 2 exaflops do Frontier, ou 2 quintilhões de cálculos por segundo, se concentrando em aspectos como a formação gradual de filamentos de gás;
- Tais filamentos são observados no aglomerado de galáxias Perseus há 240 milhões de anos-luz da Terra, mas o tamanho astronômico da formação impedia a visualização da formação, dificultando avaliar sua evolução;
- Com as simulações feitas pelo supercomputador, as primeiras a reproduzirem o fenômeno, foi possível descobrir como surgiram os filamentos.
Segundo o artigo, os filamentos se formaram a partir da turbulência gerada pela interação de três elementos. São eles os gases frios, o plasma intergaláctico extremamente quente, que pode chegar a temperaturas de até 100 milhões de Kelvins, e os campos magnéticos que os cercam.
Além disso, os cientistas apontaram que os campos magnéticos exercem um papel fundamental na regulação da energia dos aglomerados de galáxias, possibilitando que eles se mantenham estáveis. Os autores planejam, agora, usar a metodologia para estudar raios cósmicos e efeitos de plasma.
Frontier quase não foi suficiente para o trabalho
As simulações necessárias para desvendar os mistérios sobre os aglomerados de galáxias só poderiam ser feitas em máquinas com grande poder computacional, ampla capacidade de armazenamento e muita memória, como é o caso do Frontier. Apesar disso, os cientistas realizaram adaptações.
Uma delas foi a limitação da velocidade dos jatos do buraco negro a 5% da velocidade da luz. “Isso ainda resultou nas simulações levando cerca de 2 milhões de etapas para serem concluídas”, explicou o astrofísico computacional do Observatório de Hamburgo (Alemanha), Philipp Grete, envolvido no estudo.
Todo o procedimento para cobrir bilhões de anos de evolução do universo exigiu 700 mil horas de processamento em nós de computação e 17.088 GPUs. Foi utilizado o código aberto AthenaPK, baseado no framework Parthenon.
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