Supercomputador simula 13,4 biliões de partículas de matéria escura

Oito mil e cem nós de computação, cerca de 50 000 unidades de processamento gráfico (GPU, os chips que executam cálculos massivamente paralelos) e quatro dias. Foi o que foi preciso aos investigadores do Laboratório Nacional de Argonne, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, para concluir duas das maiores simulações cosmológicas de sempre, modelando 13,4 biliões de partículas de matéria escura numa região de 28,6 mil milhões de anos-luz do universo.

O objetivo é a inflação cósmica, um período proposto de expansão extremamente rápida logo após o Big Bang. A inflação esticou minúsculas flutuações quânticas por distâncias enormes. Ao longo de milhares de milhões de anos, a gravidade amplificou estas pequenas variações de densidade até à grande teia cósmica de galáxias e matéria escura que observamos hoje. A matéria escura não pode ser vista através da luz comum, por isso as simulações usam partículas para seguir a sua densidade e velocidade, o que permite aos cientistas modelar a forma como as estruturas cósmicas evoluíram.

A equipa, liderada pelo cientista computacional do Argonne Nicholas Frontiere, procura a não-gaussianidade primordial: desvios subtis em relação à distribuição estatística simples prevista pelos modelos inflacionários padrão. Detetar tais desvios poderia ajudar a distinguir entre explicações concorrentes para a inflação. Espera-se que o sinal seja fraco, e a variância cósmica, a incerteza estatística que surge quando as observações cobrem apenas uma parte finita do universo, pode ocultá-lo. Os investigadores precisam, por isso, de simulações que combinem volumes enormes com resolução suficiente para captar os halos de matéria escura, as estruturas onde se formam as galáxias.

O Aurora tem 10 624 nós e 63 744 GPU, com memória de grande capacidade e um sistema de armazenamento concebido para fluxos de dados enormes. As execuções geraram mais de 85 petabytes de dados, sobretudo pontos de controlo que permitem retomar um cálculo após uma interrupção, em vez de recomeçar do zero, e a equipa guardou cerca de 8 petabytes para análise científica. O código utilizado, o Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), foi concebido para executar grandes simulações cosmológicas em diferentes arquiteturas de supercomputação. Ao contrário de um projeto anterior no sistema Frontier do Laboratório Nacional de Oak Ridge, que modelou a gravidade juntamente com o gás, as estrelas e outros processos, as execuções no Aurora modelam apenas a gravidade. Esta escolha permitiu à equipa cobrir um volume maior com mais partículas.

Os astrónomos que trabalham com o DESI e com a missão SPHEREx da NASA são os primeiros a beneficiar deste trabalho. As duas simulações partilham o mesmo modelo cosmológico e o mesmo sinal não gaussiano, mas as suas fases iniciais estão invertidas, pelo que analisá-las em conjunto anula parte da variação aleatória. A intensidade do sinal está oculta, o que permite aos investigadores testar métodos de análise sem conhecerem previamente a resposta. As observações sintéticas resultantes destinam-se a validar fluxos de trabalho e a identificar possíveis enviesamentos antes de serem aplicados aos dados reais, à medida que os levantamentos recolhem observações cada vez mais detalhadas. O projeto recebeu tempo de computação através do programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) do Departamento de Energia.