Como se cria um universo (versão digital)

EurekAlert

Pesquisadores modelam o nascimento do universo em uma das maiores simulações cosmológicas jamais processadas

DOE/ARGONNE NATIONAL LABORATORY

Os pesquisadores estão peneirando uma avalanche de dados produzidos por uma das maiores simulações cosmológicas jamais realizadas, liderada pelos cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia (DOE) do Governo dos EUA..

A simulação, processada no supercomputador Titan do Laboratório Nacional Oak Ridge do DOE,  modelou a evolução do universo desde apenas 50 milhões de anos após o Big Bang até os dias atuais – de sua primeira infância até sua atual maturidade. Durante o curso de 13,8 bilhões de anos, a matéria do universo se agregou, formando galáxias, estrelas e planetas, mas não sabemos exatamente como isso se deu

Este tipo de simulação auxilia os cientistas a compreender a energia escura, uma forma de energia que afeta a taxa de expansão do universo, inclusive a distribuição das galáxias, compostas por matéria comum e matéria escura, um tipo misterioso de matéria que nenhum instrumento foi capaz de medir até agora,

Levantamentos celestes Intensivos com poderosos telescópios, tais como o Sloan Digital Sky Survey e o novo Dark Energy Survey  mostram aos cientistas onde as galáxias e estrelas estavam quando sua luz foi inicialmente emitida. E os levantamentos da Radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, na sigla em inglês), a luz remanescente de quando o universo tinha apenas 300.000 anos de idade, nos mostra como o universo começou – “muito uniforme, com a matéria se agregando ao longo do tempo”, nas palavras de Katrin Heitmann, uma física do Argonne que liderou a simulação.

A simulação visa a preencher a lacuna temporal para mostrar como o universo deve ter evoluido nesse intervalo: “A gravidade atua sobre a matéria escura que começa a se aglomerar cada vez mais e, nesses aglomerados, se formam as galáxias”, diz Heitmann.

Chamada de “Q Continuum”, a simulação envolveu meio trilhão de partículas – dividindo o universo em cubos de 100.000 km de aresta. Isso a torna uma das maiores simulações cosmológicas em uma definição tão grande. Ela rodou usando mais de 90% da capacidade do supercomputador. Para dar uma ideia, normalmente menos de 1% dos trabalhos usam 90% da capacidade do suprcomputador Mira no Argonne, disseram os administradores da Argonne Leadership Computing Facility, do DOE  Pessoal de computação, tanto do Argonne, quanto do Oak Ridge, auxiliou a adaptar o programa para rodar no Titan.

“Esta é uma simulação muito detalhada”, afirma Heitmann. “Podemos usar esses dados para examinar por que as galáxias se aglomeram desta forma, assim como estudar a física fundamental da própria formação da estrutura”.

A análise dos dois e meio petabytes de dados gerados já começou e vai continuar por vários anos, diz ela. Os cientistas podem extrair dados de fenômenos astrofísicos tais como lentes gravitacionais fortes, lentes gravitacionais fracas, lentes de aglomerados e lentes galáxia-galáxia.

O programa para rodar a simulação é chamado de Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), inicialmente escrito em 2008, mais ou menos quando os supercomputadores científicos romperam a barreira do petaflop (um quatrilhão de operações por segundo). O HACC foi projetado com uma flexibilidade inerente que permite que ele rode em supercomputadores com diferentes arquiteturas

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Os detalhes do trabalho estão contidos no estudo “The Q continuum simulation: harnessing the power of GPU accelerated supercomputers,” publcado em agosto em Astrophysical Journal Supplement Series pela American Astronomical Society. Os outros cientistas do Argonne neste estudo são Nicholas Frontiere, Salman Habib, Adrian Pope, Hal Finkel, Silvio Rizzi, Joe Insley e Suman Bhattacharya, além de Chris Sewell do Laboratório Nacional de Los Alamos (também do DOE).

 

A atividade humana afeta a estrutura vertical da atmosfera

Original em inglês por Anne M Stark, LLNL.

Representação gráfica das “digitais” – tanto das atividades humanas, quanto as da natureza – sobre a estrutura vertical da atmosfera. As mudanças decorrentes das atividades humanas, tais como a produção acelerada de gases de efeito estufa, faz com que a estratosfera esfrie, enquanto a troposfera, do meio para cima, se aqueça. Um novo estudo comprova que as influências naturais não poderiam causar sozinhas essas mudanças de temperaturas.

Crédito da imagem: Lawrence Livermore National Laboratory. (Imagem ampliada)

As influências das atividades humanas causaram um impacto direto no padrão latitude/altitude da temperatura atmosféricas. Esta é a conclusão de um novo relatório apresentado pelos cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory e seis outras instituições científicas. A pesquisa compara vários registros feitos por satélites de mudanças nas temperaturas atmosféricas com os resultados de simulações computadorizadas de grande tamanho e vários modelos.

“A atividade humana tem efeitos muito diferentes sobre as temperaturas da atmosfera superior e inferior, e uma digital muito diferente das influências puramente naturais”, afirma Benjamin Santer, o principal autor do artigo publicado na edição de 16 de setembro de Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences. “Nossos resultados fornecem indícios claros de uma distinta influência humana sobre a estrutura térmica da atmosfera”.

Os dados das observações por satélites e as previsões do modelo de computação da resposta à influência humana têm um padrão comum de latitude/altitude de mudanças da temperatura atmosférica. As características principais desse padrão são, em escala global, o aquecimento da troposfera e o resfriamento da estratosfera, ao longo dos registros dos satélites por 34 anos. (A troposfera é a parte mais baixa da atmosfera da Terra. A estratosfera fica acima da troposfera.)

“Os atuais modelos climáticos provavelmente não são capazes de produzir este padrão de sinal distinto, somente pela variabilidade interna, ou em resposta a mudanças causadas por fenômenos naturais, tais como variações na radiação solar, ou aerossóis espalhados por erupções vulcânicas”, diz Santer.

As flutuações internas naturais no clima são geradas por complexas interações no sistema atmosfera-oceano, tais como o bem conhecido El Niño. As influências externas incluem mudanças causadas pelas atividades humanas, tais como os gases de efeito estufa, camada estratosférica de ozônio e outros agentes sobre as radiações, assim como flutuações de origem puramente natural na radiação solar e os aerossóis vulcânicos. Cada uma dessas influências deixa uma “digital” inconfundível no padrão detalhado por latitude/altitude de mudanças na temperatura atmosférica.

A informação das digitais se comprovou particularmente útil para separar as influências climáticas das atividades humanas, solares e vulcânicas.

“O padrão de mudanças de temperaturas que foi observado no sentido vertical na atmosfera, desde o nível do chão até a estratosfera, se ajusta ao que era esperado da atividade humana de emissão de gases de efeito estufa. O mesmo padrão entra em conflito com o que seria de se esperar de outras explicações, tais como flutuações na emissão de radiações pelo Sol”, explica Santer.

Outra pesquisadora do LLNL, co-autora do artigo, Celine Bonfils, observa que grandes erupções vulcânicas também podem perturbar profundamente a estrutura vertical da temperatura atmosférica. “Durante o período de recuperação de tais erupções, também acontecem o aquecimento da troposfera e o resfriamento da estratosfera”, diz ela. “Porém, de forma diferente das influências vulcânicas, as mudanças de temperaturas atmosféricas causadas pela atividade humana afetam todas as latitudes e duram mais tempo. Isto sugere que as recentes mudanças de temperaturas não são uma simples recuperação de eventos vulcânicos passados”.

Os outros cientistas do Livermore incluem Jeff Painter, Peter Gleckler, Charles Doutriaux e Karl Taylor. A equipe de pesquisadores contou ainda com cientistas do Remote Sensing Systems (Carl Mears e Frank Wentz), do Massachusetts Institute of Technology (Susan Solomon), da Universidade de Adelaide, Austrália (Tom Wigley), do NASA/Goddard Institute of Space Studies (Gavin Schmidt), do Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis (Nathan Gillett) e do Nansen Environmental and Remote Sensing Center, Noruega (Peter Thorne).


As pequenas colisões dão energia às tempestades de poeira

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08 de agosto de 2013
Por: Sophie Bushwick, Contribuidora do ISNS
(ISNS) – Tempestades de poeira podem varrer milhões de toneladas de solo e mandar o turbilhão de poeira a milhares de quilômetros de distância. Muito embora essas tempestades pareçam ser enormemente poderosas, parte de sua força na verdade deriva da fonte mais aparentemente insignificante: as colisões em pleno ar entre os grãos de poeira ou areia.
Quando as partículas em suspensão no ar se chocam contra o chão durante uma tempestade de poeira, elas lançam as partículas que repousavam no solo, para atmosfera, da mesma forma que uma ventania recolhe as gotículas d’água de um lago. Este processo, chamado saltação, carrega ainda mais poeira e debris para a atmosfera. Algumas dessas partículas vão voar como saltons, enquanto que as assim chamadas reptons caem de volta e se assentam sobre o solo.
Porém um novo estudo publicado na Physical Review Letters sugere que o destino de uma partícula depende de mais fatores do que estes derrame sobre o solo. Uma colisão em pleno ar pode modificar o comportamento individual de uma partícula — e o movimento da tempestade como um todo.
Para examinar os efeitos dessas colisões, uma equipe internacional de pesquisadores criou um modelo tri-dimensional de computação que incorpora o comportamento de partículas individuais durante uma tempestade de poeira, dando a cada partícula o tamanho aproximado de um grão de areia.
Quando os cientistas mandavam sua simulação ignorar essas colisões em pleno ar, o fluxo da tampestade ficava três vezes mais fraco do que quando o computador levava em conta essas colisões. Isso soa meio contra-intuitivo — seria de se esperar que ir de encontro a um obstáculo fosse encurtar a trajetória de uma partícula, não aumentá-la. No entanto, as colisões em pleno ar podem criar mais saltons que voam mais alto, o que acrescenta mais poeira à tempestade.
“Os saltons passam a maior parte do tempo no ar e, por causa disso, ganham mais velocidade graças às interações com os ventos”, explica o co-autor Nuno Araújo do Instituto de Materiais de Construção de Zurique. “Assim, quando eles colidem com o chão, causam um efeito splash maior”.
Claramente, os saltons podem contribuir para a intensidade de uma tempestade. Porém sua criação depende de colisões com o chão, não com outras partículas em suspensão no ar, ao menos de acordo com o modelo original. O novo estudo afirma que esse quadro está errado. Para começo de conversa, os reptons se dividem em duas categorias distintas: os rastejantes que mantêm o contato com o chão, e os saltadores que dão pequenos saltos sobre a superfície.
“Quando os saltons tentam voltar e tocar o chão, eles colidem com esses saltadores”, explana Araújo. “Em vez de caírem direto no chão, eles tocam um e tocam outro. O que estamos explicando agora é que esses saltons são criados devido ao histórico de colisões que eles têm em pleno ar, não durante o splash. Na maioria das vezes, é quando estão no meio do salto que os saltadores colidem com outras partículas e se tornam saltons”.
Além de poder incluir ou excluir as colisões em pleno ar em suas tempestades de poeira, os pesquisadores também podiam alterar várias propriedades de suas partículas simuladas. Isto os ajudou a encontrar os fatores que maximizariam o fluxo de debris voadores.
Os cientistas descobriram que uma tempestade fica mais forte quando for feita do tipo de partículas que percam cerca de 30% de sua energia cinética em uma colisão. E – surpresa!… – grãos de areia preenchem estes requisitos.
A areia é o material perfeito para aumentar a intensidade de uma tempestade de poeira, o que explica por que as tempestades de areia podem ser tão destrutivas. Além de jogarem o solo de um lado para o outro, tempestades de poeira e areia contribuem para a erosão, danos a obras humanas e uma pletora de problemas de saúde, desde asma até os fungos aeromóveis que causam a febre do vale de San Joaquin.
Para se preparar adequadamente para essas tempestades e, quem sabe, impedir que a poeira se torne voadora, para começar, os cientistas precisam fazer modelos de tempestades de poeira tão acurados quanto possível. “Não se pode começar observando um modelo e identificar exatamente quais serão os locais de onde a poeira pode subir”, afirma William Sprigg, da Universidade do Arizona em Tucson.
Uma vez que os pesquisadores saibam a fonte da poeira, eles podem tentar mantê-la no chão, usando vários métodos, desde a proibição de veículos recreacionais, o que permite que a área mantenha uma crosta firme, até a mais trabalhosa colocação de redes com sementes, o que criaria uma vegetação de superfície para manter o solo fixo.
Embora a incorporação do novo estudo possa acrescentar novas informações para os modelos de tempestades de poeira, alguns deles já provaram sua capacidade. Por exemplo, o Dust REgional Atmosphere Model, (DREAM = Modelo Regional de Poeira) da Universidade do Arizona, desenvolvido por Slobodan Nickovic. Em julho de 2011, o DREAM previu a massiva tempestade de poeira que engolfou a cidade de Phoenix, Arizona.
Tal como descreve Sprigg, “Essa poeira tem quilômetros de altura, cerca de 60 km de profundidade. E nosso modelo se saiu muito bem na previsão do que essa tempestade iria se tornar com dois dias de antecedência”.
E enquanto as novas informações sobre as colisões em pleno ar podem auxiliar os sistemas de previsão de tempestades de poeira, também tem outras aplicações. Afinal, a saltação não afeta apenas a formação de tempestades de poeira, ela também contribui para a movimentação dos solos dos desertos.
Como explica Araújo, “Esta mudança de comportamento no transporte em massa pode modificar o que sabemos acerca da formação e evolução das dunas”.

Sophie Bushwick é uma escritora de ciências freelance da cidade de Nova York. Seus trabalhos já foram publicados em vários meios de comunicação impressos e online.

 

O sistema em rede quebrou?… Sem problemas: quebre mais um pouco.

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Traduzido de: If A Network Is Broken, Break It More

Publicado originalmente em 16 de julho de 2013.
Por: Sophie Bushwick, contribuidora do ISNS
Crédito da Imagem:

Andrew Imanaka via flickr | http://bit.ly/1aM9uH0
Informações sobre direitos: 

Pequenos ajustes podem melhoram o estado de todo um sistema.

(ISNS) — Desde a World Wide Web até a rede de distribuição de energia elétrica, todas as redes são notoriamente difíceis de controlar. Um defeito em um único ponto do sistema pode se espalhar rapidamente e afetar a porcaria toda. Mas este problema pode ser sua própria solução: causar seletivamente mais danos a outras partes da rede, pode trazer todo o sistema a um estado melhor.
Qual é a grande importância em ser capaz de manipular redes? Esses sistemas complexos são onipresentes em nosso dia-a-dia, desde sistemas de telecomunicações, até as redes de neurônios que formam as memórias em nossos cérebros.
Infelizmente, um tranco que atinja uns poucos nodos de uma rede pode fazer o sistema todo dar defeito. Por exemplo, a rede de energia elétrica: umas poucas linhas de cabos de energia interrompidas podem desencadear um apagão de grandes proporções. E são precisos um bocado de trabalho e materiais caros para consertar os componentes quebrados.
E se, em lugar de substituir os cabos quebrados, nós pudéssemos restaurar toda a rede, desligando estrategicamente mais algumas linhas? É justamente isto que os pesquisadores da Universidade Northwestern em Evanston, Illinois, pretendem fazer, porém em mais coisas do que somente na rede elétrica. Em um artigo publicado na Nature Communications, os cientistas delineiam um novo método para controlar qualquer rede complexa.
A técnica tira vantagem do quanto uma rede é interconectada. “Como esses sistemas são conectados, uma perturbação que poderia ser deletéria, tal como uma doença, pode se espalhar pelo sistema e afetar coisas além daquela inicialmente atacada”, explica o autor principal do artigo, o estudante de pós-graduação da Northwestern, Sean Cornelius.
Entretanto, são essas próprias conexões que tornam a manipulação de uma rede muito mais fácil. “Em geral, é possível combater fogo com fogo”, prossegue Cornelius. “Da mesma forma que se pode cutucar um sistema de forma errada e causar danos, que tal se pudéssemos perturbá-lo de uma forma a curá-lo?”
Tomemos como exemplo a rede de interações dentro de uma célula. Se você inibir um gene importante, pode danificar a taxa de crescimento da célula. No entanto, é possível reparar esse dano, não pela substituição do gene perdido, o que é uma tarefa próxima do impossível, mas através da remoção de outros genes.
A chave reside em encontrar as modificações específicas que levem uma rede de um estado indesejável A a um estado preferível B. O modelo matemático de Cornelius fornece um método genérico para descobrir estas mudanças em qualquer rede, desde o metabolismo de uma única célula, até toda uma cadeia alimentar.
Por exemplo, quando uma espécie invasora entra em um ecossistema, ela compete com as espécies nativas pelos recursos disponíveis. A solução óbvia seria eliminar os invasores – só que isso pode ser incrivelmente difícil. Em lugar disto, sugere Cornelius, se pode exterminar a fonte de alimento dos invasores, levando-os à extinção. Neste caso, umas poucas espécies seriam sacrificadas para salvar o ecossistema como um todo.
Pesquisas anteriores aplicaram métodos similares para sistemas específicos, tais como células e ecossistemas, porém o novo estudo visa as redes em geral. “Anteriormente, nossa pesquisa se focalizou em sistemas particulares”, conta Cornelius, “mas não havia uma teoria unificadora que demonstrasse que isso seria possível em redes genéricas”. Esperamos que nosso método seja amplamente aplicável a qualquer que seja sua rede escolhida”.
Para aumentar sua precisão, o novo método emprega um modelo complexo de rede. “Eles acharam algumas novidades, empregando análise não-linear”, comentou um outro pesquisador de redes, Frank Doyle da Universidade da Califórnia em Santa Barbara. Redes são sistemas não-lineares, porém Doyle e vários outros pesquisadores as abordam como se fossem lineares.
Em um sistema linear, uma pequena mudança produz uma pequena resposta. Por exemplo, se você aumentar um pouco um termostato, seu ambiente supostamente deve se aquecer um pouco. No entanto, em certos prédios de escritórios, parece que ajustar o termostato um pouquinho para cima faz a temperatura passar de um tremendo frio para um calor insuportável. Esta resposta desproporcionalmente grande é típica de um sistema não-linear e é que os torna muito difíceis de modelar matematicamente.
Outra característica de um sistema não-linear é que ele pode conseguir estabilidade em mais do que um estado possível, coisa que vem a calhar para a equipe de Cornelius. “Já que são possíveis vários resultados, podemos, mediante ajustes judiciosos, levar a rede de um estado ruim para um bom”, sublinhou Cornelius. “Muito embora a não-linearidade complique as coisas, ela também fornece um mecanismo para controlar a rede”.
Porém tanto faz você escolher um modelo linear ou não-linear: ambos simplificam as circunstâncias do mundo real. “A não-linearidade é um passo na direção certa, mas existem outras complexidades nessas redes na natureza que realmente tornam as coisas muito difíceis”, enfatizou Doyle. “Um método que emprega modelos matemáticos é, por definição, um método aproximativo”.

Sophie Bushwick é uma escritora de ciências freelance da cidade de Nova York. Seus trabalhos foram publicados em diversos meios impressos e online.

Os braços das galáxias

Novidades acerca da formação e da duração dos braços das galáxias

 IMAGEM: Poderosas novas simulações em computador permitem aos astrônomos compreender como os braços das galáxias espirais se formam e se mantêm.

Clique aqui para mais informações.

As galáxias em espiral são bastante fotogênicas e nossa própria galáxia, a Via Láctea, é uma galáxia em espiral. Nosso Sol vive em um dos braços desta galáxia (mais exatamente no Braço de Órion), portanto a questão sobre como os braços das galáxias se formam e o quanto duram, é bastante relevante para nós. Infelizmente, os processos de formação desses braços e suas vidas cobrem escalas de tempo literalmente astronômicas (desculpem o trocadilho) e toda a história da raça humana é uma unidade pequena demais para medir isto.

Por muito tempo, os astrônomos e astrofísicos vêm debatendo se esse tipo de estrutura de braços espirais é algo estável, ou se, cessado o motivo que os criou, eles tendem a desaparecer e as galáxias espirais se tornarem simplesmente elípticas.

Como “fazer o tempo correr” rápido o suficiente para que pudéssemos observar esse processo? Uma equipe de pesquisadores, a astrofísica Elena D’Onghia da Universidade de Winsconsin em Madison e seus colegas Mark Vogelsberger e Lars Hernquist do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian criou um modelo de computador para simular os movimentos de 100 milhões de “partículas estelares”, enquanto a gravidade e outras forças da astrofísica as vão esculpindo no formato de uma galáxia.

D’Onghia declara: “Pela primeira vez somos capazes de demonstrar que os braços espirais estelares não são uma coisa passageira, como se pensou por muitos anos”. E Vogelsberger acrescenta: “Os braços espirais são auto-perpetuantes, persistentes e surpreendentemente longevos”.

Até agora, os astrofísicos debatiam sobre duas teorias predominantes. Uma declarava que os braços se formam e se desmancham ao longo do tempo. A outra, mais aceita, era que o material que forma os braços – estrelas, gás e poeira – é afetado pelos diferentes campos gravitacionais e “engarrafa”, como o trânsito em uma grande cidade, e mantém o formato por longos períodos.

Os novos resultados recaem em um ponto intermediário entre as duas teorias e sugerem que os braços realmente se formam como resultado da influência de nuvens moleculares gigantes – as regiões conhecidas como “berçários de estrelas”, presentes em quase todas as galáxias conhecidas. Quando introduzidas na simulação, essas nuvens atuam como “elemento perturbador” e têm a capacidade de não só criar esses braços, como também de sustentar indefinidamente sua forma.

D’Onghia explica :”Descobrimos que [essas perturbações] vão criando os braços espirais. Pensava-se que, quando essas perturbações fossem removidas, os braços se desfariam, mas pudemos ver que, uma vez formados, os braços se auto-perpetuam, até mesmo quando as perturbações são retiradas. Ou seja, uma vez que os braços se formam sua própria gravidade os mantém, até mesmo quando as nuvens que os criaram desaparecem”.

O modelo usado foi o de um disco galático isolado, aqueles que não são influenciados por uma outra galáxia próxima ou outro objeto. Alguns estudos recentes exploraram a possibilidade da formação dos braços galáticos a partir da influência gravitacional de um vizinho próximo (tal como uma galáxia-anã, por exemplo) sobre o disco da galáxia.

De acordo com Vogelsberger and Hernquist, as novas simulações podem ser empregadas para re-interpretar os dados de observações, obtidos tanto a partir de nuvens estelares de alta densidade, como a partir de “buracos” induzidos pela gravidade no espaço, como os mecanismos que conduzem à formação dos característicos braços das galáxias espirais.

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Fonte: EurekAlert – 02/04/13. Puzzle of how spiral galaxies set their arms comes into focus (Universidade de Winsconsin em Madison) e New insights on how spiral galaxies get their arms (Harvard-Smithsinian Center for Astrophysics).

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