D16 Cosmologia Computacional: Simulações de Muitos Corpos

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O elemento central deste modelo é a simulação cosmológica de muitos corpos, que integra as trajetórias de um vasto número de partículas de matéria escura — e, em suas versões hidrodinâmicas, também partículas de gás — dentro de um volume cúbico com condições de contorno periódicas e o fundo em expansão do Modelo Padrão.

Diferentes simulações de referência foram ampliadas ao longo do tempo, de dez bilhões de partículas em um volume moderado para dezenas de bilhões de partículas em um volume enorme, a maior simulação hidrodinâmica já realizada até hoje.

A ferramenta que nos permite comparar essas simulações com observações do mundo real é um conjunto estatístico compartilhado por ambas: o espectro de potência, a função de correlação, a função de massa do halo e os perfis de densidade, todos os quais podem ser medidos com os mesmos instrumentos do mundo real descritos ao longo deste documento.

O aspecto mais notável dessas simulações modernas é seu feedback multiescalar: dentro de um único volume simulado, elas modelam simultaneamente a cosmologia na escala de milhares de megaparsecs e os processos estelares em galáxias individuais na escala de apenas alguns quiloparsecs, com o feedback de supernovas e núcleos galácticos ativos regulando a própria formação estelar que lhes deu origem. Sem esse feedback, as simulações produzem estrelas e halos em excesso com perfis imprecisos; com um feedback bem calibrado, no entanto, o universo simulado reproduz fielmente as observações do mundo real. A comparação dessas mesmas simulações com os levantamentos mais recentes já está revelando tensões que podem apontar para uma nova física além do Modelo Padrão. Assim, desde as simulações cosmológicas de muitos corpos com as quais este documento começa até as tensões com a nova física com as quais termina, passando pela escala crescente de partículas simuladas e pelo conjunto estatístico compartilhado com as observações, a cosmologia computacional faz com que o mesmo universo simulado, regulado por seu próprio feedback interno, acabe sendo testado contra o universo real, passo a passo, até encontrar onde ambos começam a divergir.

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