E10 Cosmologia Computacional

Tópico

O elemento central deste modelo é a simulação cosmológica de muitos corpos, que rastreia as trajetórias de um vasto número de partículas de matéria escura sob sua própria gravidade.

Para tornar essa simulação viável, ela combina duas técnicas complementares, dependendo do alcance da força a ser calculada: um algoritmo de árvore, adequado para forças de curto alcance entre partículas próximas, e uma malha que resolve a gravidade usando técnicas de Fourier, adequada para forças de longo alcance. Essa combinação permite que a simulação rastreie interações de curto e longo alcance sem custo computacional excessivo.

Quando essa mesma simulação se torna hidrodinâmica, ela incorpora, além da matéria escura, o próprio gás cósmico, com seu resfriamento radiativo, a formação estelar que esse resfriamento possibilita e o feedback que supernovas e núcleos galácticos ativos injetam de volta nesse gás. A adição dessa física significa que a simulação não descreve mais apenas a gravidade, mas também a física bariônica concomitante. Reproduzir com precisão as estatísticas das oscilações acústicas bariônicas exige que essa simulação cosmológica seja executada em caixas da ordem de mil megaparsecs, pois uma caixa menor não pode conter essa escala característica. Os universos sintéticos resultantes de todo esse processo, por sua vez, servem para calibrar os próprios estimadores observacionais e para quantificar o viés com que as galáxias visíveis reproduzem, de forma imperfeita, a distribuição real da matéria. Assim, desde a simulação cosmológica de muitos corpos com a qual este documento se inicia, até o viés de rastreamento que ele quantifica em última instância, incluindo a combinação de algoritmos de acordo com o alcance da força, a física bariônica adicionada e o tamanho mínimo da caixa exigido pela estatística bariônica, a simulação cosmológica permite que um universo inteiro, reduzido a partículas e equações, sirva, em última análise, para calibrar a interpretação das observações do universo real.

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