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Projeção realizada pelo projeto Illustris tendo por base a região com maior densidade e mostrando uma sobreposição de matéria escura e

Illustris Simulation

Projeção realizada pelo projeto Illustris tendo por base a região com maior densidade e mostrando uma sobreposição de matéria escura e

Illustris Simulation

10 mil computadores para desenhar as galáxias do universo

Não era a primeira vez que se faziam simulações do universo ou das galáxias, mas o nível de pormenor a que os investigadores queriam chegar obrigou a um esforço de computação gigantesco.

Se lhe pedissem para imaginar uma galáxia, talvez pensasse numa espiral cheia de pontos brilhantes. É a imagem que temos da Via Láctea. Mas nem todas as galáxias têm a mesma forma, nem tão pouco o mesmo tamanho ou o mesmo número de estrelas. Perceber como se formaram as galáxias e o porquê de algumas das suas características era um dos desafios do projeto Illustris, coordenado pelo Instituto para os Estudos Teóricos de Heidelberg (HITS, na sigla em inglês), na Alemanha.

HLF e HITS

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O Heidelberg Laureate Forum (HLF) pretende juntar cerca de 200 alunos e jovens cientistas com os laureados dos principais prémios atribuídos nas áreas da Matemática e Ciências da Computação, para que possam discutir ideias uns com os outros.

O HLF é financiado pela Fundação Klaus Tschira, criada pelo físico com o mesmo nome. A mesma fundação criou o HITS, um instituto privado sem fins lucrativos.

“As galáxias são sistemas dinâmicos complexos”, começa por explicar à audiência Volker Springel, coordenador do grupo de Astrofísica Teórica do HITS. Daí que as simulações cosmológicas sejam a base da Astrofísica atual, continuou, durante a palestra que antecedeu o jantar oferecido aos participantes do Heidelberg Laureate Forum, no Museu de Tecnologia de Speyer (Alemanha).

Ter uma palestra dedicada à astrofísica perante uma plateia de matemáticos e cientistas da computação pode parecer estranho ao início, mas a apresentação do projeto Illustris trouxe as respostas necessárias: o modelo baseia-se em equações complexas que só os supercomputadores conseguem resolver. Matemática e Computação juntam-se assim para trazer avanços significativos na área da Astrofísica.

Num comentário sobre o projeto, o astrónomo Brian Schmidt lembrou que as “simulações ainda não são perfeitas” e que é preciso “comparar as várias simulações existentes para escolher as melhores”. Ainda que reforce que “há um longo caminho a percorrer, que há muita coisa que ainda não está disponível e que [neste momento] nem tudo pode ser replicado”, o prémio Nobel da Física 2011 mostra-se confiante de que a comparação das simulações com as observações reais possa trazer muitas respostas sobre o universo, por exemplo, sobre a massa dos neutrinos.

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O Observador aproveitou a oportunidade para falar com Volker Springel e ficar a saber mais sobre a aplicabilidade do projeto e sobres planos para o futuro nesta área.

Quais eram os principais objetivos do projeto Illustris?
Queríamos ter fórmulas para as galáxias em forma de disco, como a Via Láctea, no computador. Claro que existe uma história prévia para esta área de investigação, mas as simulações anteriores não foram bem-sucedidas a conseguir criar este disco. Este era um problema por resolver e queríamos melhorar as técnicas e os modelos físicos para termos finalmente galáxias realistas. Esse era o nosso objetivo e ficámos satisfeitos por termos dado um grande passo nesse sentido.

Mas o resultado mais importante, do nosso ponto de vista, foi que conseguimos formatos de galáxias que se parecem com o verdadeiro universo pela primeira vez. Há uma grande variedade nas formas – como discos, sistemas esferoides, galáxias elípticas – e também na frequência relativa com que encontramos cada uma destas formas. E isso foi inesperado. Foi uma conquista emocionante ter conseguido uma boa morfologia das galáxias.

Isso foi mais do que estavam à espera?
Foi mais do que estávamos à espera. É verdade. Estávamos à espera de conseguir galáxias com, mais ou menos, a massa estelar correta [para a Via Láctea são cerca de 100 mil milhões de estrelas de massa estelar]. Porque existem galáxias para todos os tamanhos, é muito variável. É difícil entender porque existe precisamente esse número de estrelas, e porque não mais ou menos. Deve-se a uma combinação complexa de explosões de supernovas, que aquecem os gases ou a arrefecimento por radiação.

As simulações anteriores sobrevalorizavam sempre a quantidade de estrelas – três a cinco vezes mais – e o resultado era um universo muito mais brilhante do que realmente é. Nós, por exemplo, introduzimos os buracos negros como uma forma de contrariar a formação de estrelas – os buracos negros aquecem os gases e impedem que as estrelas se formem com tanta eficácia. Também contabilizámos supernovas de tipo I. E estes dois efeitos juntos reduziram muito a formação de estrelas. Esperávamos que isto pudesse ajudar e assim foi.

Isto é, descemos até à luminosidade total certa, mais ou menos. E, além disso, conseguimos formas melhores, o que foi uma espécie de bónus – não era expectável que funcionasse dessa maneira, mas funcionou, e isso foi muito emocionante para nós. De alguma maneira estes problemas estão inter-relacionados: só quando diminuímos o suficiente a taxa de formação das estrelas, conseguimos obter as formas corretas. E não fazíamos ideia de que isso aconteceria.

Às vezes, precisamos de simplificar leis fundamentais e criar leis mais eficazes que nos permitam calcular.

Essas são as duas principais diferenças em relação às simulações anteriormente por outros grupos?
Sim. Isso e alguns melhoramentos técnicos. O nosso cálculo era maior e pretendia simular uma parte maior do espaço, porque precisamos de simular uma grande parte do universo para conseguir ambientes diferentes, para obtermos uma amostra de galáxias diferentes e precisamos de ter resolução suficiente para vermos as galáxias mais pequenas também.

Este foi o maior cálculo feito até agora – o maior nesta área – e tinha mais elementos de resolução do que qualquer cálculo anterior, por isso conseguimos muito mais galáxias num espetro mais largo do que anteriormente. Se um cálculo não tiver resolução suficiente somos enganados – é tão pouco preciso que é errado. O nosso cálculo tinha melhor resolução e era mais preciso. E isso ajudou muito.

Quais foram as principais dificuldades que enfrentaram no decorrer do projeto?
Tivemos alguns problemas técnicos com o supercomputador, porque queríamos usar muita memória. Levámos a memória ao limite e a máquina crashou. Também tivemos problemas com o sistema operativo que não nos dava toda a memória que devia dar. Temos de correr a simulação em tantos computadores ao mesmo tempo que têm de estar todos a trabalhar perfeitamente. Se um deles, um dos 10 mil, faz alguma coisa estúpida, os outros 9.999 também morrem.

Trabalhar com 10 mil computadores

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Quando fala em 10 mil computadores, Volker Springel refere-se a 10 mil núcleos de computação (cores). Por exemplo, um telemóvel pode ter dois ou quatro destes cores. Cada um dos computadores usados (nodes) podia ter 16 cores, mas cada um deles continua a funcionar como uma máquina diferente e o programa corre em todos eles.

A maior parte das dificuldades nestas simulações é que não se pode simular uma galáxia de cada vez porque todas elas são influenciadas pelas forças de rotação umas das outras e porque são todas influenciadas pela atração gravitacional. É por isso que os [10 mil] computadores têm de estar sempre em comunicação [a simularem todo o universo ao mesmo tempo].

Também é preciso escrever muito código para que isto aconteça e este código tem de funcionar sem falhas. Isto é difícil de conseguir, por isso que este programa de simulação demorou 10 anos a desenvolver.

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Durante a palestra disse que o espaço é uma confusão. É preciso considerar radiação, gravidade, supernovas, buracos negros, etc. Como é que se juntam todos esses dados?
Na verdade não usamos esses dados, tentamos criar dados [de simulação] que depois comparamos com as observações reais. Misturamos os processos físicos, como a explosão de uma supernova, a formação de estrelas ou a radiação das estrelas. E o que fazemos? Temos equações que descrevem estes processos e é suposto que o computador resolva estas equações. O resultado das equações é um universo artificial que podemos observar com um telescópio virtual e que depois comparamos com os dados reais.

[Depois] o que precisamos é comparar com os dados reais e perceber até que ponto as duas situações [simulação e observação] são coincidentes ou não. Muitas coisas são concordantes, outras não. E tentamos perceber porque é que os erros acontecem. Quando não for concordante é possível elaborar teorias físicas que expliquem a situação. Na próxima geração de simulações mudamos o modelo físico, testamos tudo e vemos se melhorámos a capacidade de ter resultados coincidentes [entre modelo e real].

Temos uma série de equações complexas. Às vezes, precisamos de simplificar leis fundamentais e criar leis mais eficazes que nos permitam calcular. E isto é realmente complexo. É claro que a simulação é apenas um modelo, não é perfeita porque temos de simplificar a natureza para a conseguirmos simular e às vezes deixamos de fora coisas importantes sem sabermos. Também é fundamental distinguirmos o que é realmente importante do que não é, o que podemos deixar de fora e mesmo assim manter o universo a funcionar. Qual o universo mais simples que conseguimos construir que nos permita mesmo assim ter boas galáxias?

Conseguiram aprender mais sobre a nossa galáxia com esta simulação?
Tentámos, sim. Fazemos outras simulações que são dedicadas a estudar a galáxia.

Há missões de satélite que estão dedicadas a estudar a Via Láctea, como a missão Gaia, da Agência Espacial Europeia, que acabou de divulgar os primeiros dados e é responsável por mapear mil milhões de estrelas na nossa galáxia. A isto chamamos arqueologia galáctica porque podemos entender a história da formação das estrelas. Depois podemos ligar estes dados com os nossos modelos de simulação detalhados e perceber quantas galáxias satélite e galáxias anãs “caíram” na Via Láctea no passado, com que frequência aconteceu e onde estão as estrelas mais jovens. Aprendemos muito sobre isto com as simulações.

O projeto Illustris terminou oficialmente em 2013. Vão dar continuidade a esta área de investigação?
Sim, temos uma nova geração: Illustris TNG. Temos novas simulações que contamos publicar [numa revista científica] no final do ano. Comparadas com o projeto inicial são muito melhores, mas ainda não são finais. É um passo em frente muito importante, confirma muitas das coisas que aprendemos, mas melhora as situações de dúvida que tínhamos. Em última instância, a esperança é que se possam usar estas simulações para fazer previsões [sobre observações] para os astrónomos, para podermos dizer: “Se procurarem esta galáxia devem conseguir ver este e este efeito”. E se os astrónomos encontrarem [o que previmos] isso será muito bom para nós, podemos validar o modelo.

Os dados das vossas simulações e os vossos resultados estão disponíveis?
Todos os dados do projeto Illustris estão disponíveis desde o ano passado. E muitos dos nossos colegas já usaram estes dados para escrever artigos científicos. E isso é muito poderoso, porque eles têm ideias diferentes daquelas que nós tivemos. Há cada vez mais grupos [de investigação] a fazer isto [divulgar os dados], mas, por exemplo, o grupo que é nosso concorrente, e que tem uma simulação equivalente, ainda não disponibilizou os seus.

E nos próximos 10 anos, o que espera alcançar com este projeto ou outros deste tipo?
Para mim o mais impressionante é: como pode ser que pequenos buracos negros modifiquem uma galáxia inteira? Parece uma ideia um pouco louca.

Se o comparássemos com uma cidade como Berlim, todas as luzes – como as luzes na rua, no frigorífico, na televisão, etc. – seriam as estrelas de uma galáxia e um grão de poeira no Brandenburg Gate seria o nosso pequeno buraco negro. Se conseguirmos imaginar que este grão de poeira emite tanta luz como toda a cidade de Berlim, conseguimos perceber o que é que um buraco negro faz. E o que se julga é que este grão de poeira modifica toda a cidade de Berlim completamente.

Isto é o que os buracos negros fazem, mas não está compreendido ao pormenor. Sabemos, com base nas observações, que os quasars – basicamente, buracos negros brilhantes – o fazem, mas como é que a energia que emitem é transmitida a toda a galáxia não está perfeitamente entendido. E isto era o que eu gostava de ver explicado nos próximos 10 anos.

Com a quantidade de simulações de elevada resolução que têm feito, como conseguem armazenar todos os dados?
De facto, temos centenas de terabytes de dados. No HITS temos dois petabytes de discos. Está ali muita coisa, mas também há muita coisa guardada em arquivos – nos grandes centros de supercomputadores existem arquivos de dados que são, basicamente, cassetes muito modernas. [Esses arquivos] parecem grandes prateleiras geridas por robôs, às quais posso aceder a partir do meu escritório. Estas bibliotecas têm uma capacidade enorme, mas a quantidade de dados está a crescer [sejam das simulações ou das observações]. E isto é um problema, porque temos de navegar no meio dos dados. Às vezes temos de resumir um terabyte de dados a um número num papel – é um processo de condensação muito forte.

E agora há um novo projeto em astronomia: o SKA (sigla para Square Kilometre Array), um conjunto de telescópios na África Sul, em oito outros países africanos e na Austrália, que começaram agora a construir. O equipamento terá uma taxa de aquisição de dados de terabytes por segundo que é mais do que a Internet de todo o mundo comunica [no mesmo tempo]. Criam mais dados num tubo do instrumento do que toda a Internet do mundo poderia transportar. Vão precisar de eliminar muitos dados imediatamente, por isso é preciso ser muito inteligente sobre o que se armazena e o que se desperdiça. É um grande desafio para o futuro.

O Observador esteve presente no Heidelberg Laureate Forum a convite da organização do evento.

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