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Os astrofísicos revelam a maior simulação do universo de todos os tempos – como a gravidade moldou a distribuição da matéria escura

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Para entender como o universo se formou, os astrônomos, AbacusSummit, criaram mais de 160 simulações de como a gravidade molda a distribuição da matéria escura.

O recém-lançado array de simulação cósmica é o maior já produzido, registrando coletivamente cerca de 60 trilhões de partículas.

O conjunto de simulação, chamado AbacusSummit, será útil para extrair os segredos do universo das próximas pesquisas do universo, esperam seus criadores. Eles apresentam AbacusSummit em vários artigos de pesquisa publicados recentemente em Avisos mensais da Royal Astronomical Society.

AbacusSummit é o produto de pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute (CCA) na cidade de Nova York e do Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian. Composto por mais de 160 simulações, ele mostra como as partículas do universo se movem devido à sua gravidade. Esses modelos, conhecidos como simulações de N-corpos, capturam o comportamento da matéria escura, uma força misteriosa e invisível que constitui 27% do universo e interage apenas por gravidade.

Como a gravidade moldou a distribuição da matéria escura

A coleção do AbacusSummit inclui centenas de simulações de como a gravidade molda a distribuição da matéria escura em todo o universo. Aqui, um instantâneo de uma das simulações é mostrado em uma escala de ampliação de 1,2 bilhões de anos-luz. As simulações replicam as estruturas em grande escala do nosso universo, como a teia cósmica e aglomerados massivos de galáxias. Crédito: Equipe AbacusSummit; Planejamento e design por Lucy Reading-Ikanda

diz Lehman Garrison, autor principal de um dos novos artigos e pesquisador do CCA.

Garrison liderou o desenvolvimento das simulações de bancada junto com a estudante de graduação Nina Maksimova e o professor de astronomia Daniel Eisenstein, ambos trabalhando no Center for Astrophysics. As simulações foram realizadas em um supercomputador do Departamento de Energia dos EUA no Oak Ridge Leadership Computing Facility, no Tennessee.

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Muitas pesquisas espaciais produzirão mapas do universo com detalhes sem precedentes nos próximos anos. Esses dispositivos espectroscópicos de energia escura incluem (DESI), o Telescópio Espacial Roman Nancy Grace, o Observatório Vera Sea Robin e a espaçonave Euclides. Um objetivo dessas missões de grande orçamento é melhorar as estimativas dos parâmetros cosmológicos e astrofísicos que determinam como o universo se comporta e parece.

Os cientistas farão essas estimativas aprimoradas comparando as novas observações com simulações de computador do universo com diferentes valores para diferentes parâmetros – como a natureza da energia escura que separa o universo.

AbacusSummit tira proveito da computação paralela

O contador aproveita o processamento de computador paralelo para acelerar muito seus cálculos de como as partículas se movem devido à sua gravidade. A abordagem de processamento sequencial (topo) calcula a atração entre cada par de partículas, uma a uma. O processamento paralelo (na parte inferior), em vez disso, divide o trabalho em vários núcleos de computação, permitindo que várias interações de partículas sejam computadas simultaneamente. Crédito: Lucy Reading-Ikkanda Foundation / Simons

“A próxima geração de pesquisas cosmológicas irá mapear o universo em grande detalhe e explorar uma ampla gama de questões cosmológicas”, diz Eisenstein, que é co-autor dos novos artigos do MNRAS. Mas aproveitar esta oportunidade requer uma nova geração de simulações numéricas ambiciosas. Acreditamos que o AbacusSummit será um passo ousado para a sinergia entre conta e experiência. “

O projeto de uma década foi assustador. Os cálculos de N-corpos – que tentam calcular os movimentos de objetos, como planetas, interagindo com a gravidade – têm sido o desafio número um no campo da física desde os dias de Isaac Newton. O truque vem da interação de cada objeto com todos os outros objetos, independentemente de sua distância. Isso significa que, à medida que você adiciona mais coisas, o número de interações aumenta rapidamente.

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Não existe uma solução geral para o problema de N-body para três ou mais corpos massivos. Os cálculos disponíveis são apenas estimativas aproximadas. Um método comum é congelar o tempo, calcular a força total que atua em cada objeto e, em seguida, empurrar cada elemento com base na força total que ele experimenta. Então o tempo avança um pouco e o processo se repete.

Usando essa abordagem, AbacusSummit processou um grande número de partículas graças a um código inteligente, um novo método numérico e muito poder de computação. O supercomputador Summit era o mais rápido do mundo no momento em que a equipe executou os cálculos; Ainda é o computador mais rápido dos EUA

A equipe projetou a base de código para Summit AbacusSummit – chamada Abacus – para tirar o máximo proveito do poder de processamento paralelo da Summit, onde muitos cálculos podem ser realizados simultaneamente. Em particular, a Summit possui várias GPUs, ou GPUs, que se destacam no processamento paralelo.

A execução de cálculos de N-corpos usando processamento paralelo requer um projeto de algoritmo cuidadoso porque a simulação inteira requer uma grande quantidade de memória para armazenamento. Isso significa que o contador não pode apenas fazer cópias da simulação para diferentes nós do supercomputador trabalhar. Em vez disso, o código divide cada simulação em uma grade. O cálculo inicial fornece uma boa aproximação dos efeitos das partículas distantes em qualquer ponto da simulação (que desempenham um papel muito menor do que as partículas próximas). O contador então agrupa e separa as células próximas para que o computador possa trabalhar em cada grupo independentemente, combinando aproximações de partículas distantes com cálculos precisos de partículas próximas.

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“O algoritmo do contador se adapta bem aos recursos dos supercomputadores modernos, fornecendo um padrão de computação muito regular para o grande paralelismo das GPUs compartilhadas”, diz Maximova.

Graças ao seu design, o contador alcançou velocidades muito altas, atualizando 70 milhões de partículas por segundo por nó do supercomputador Summit, enquanto analisava as simulações durante sua execução. Cada partícula representa uma massa de matéria escura 3 bilhões de vezes a massa do Sol.

“Nossa visão era criar esse código para fornecer as simulações necessárias para esse novo levantamento específico de galáxias”, diz Garrison. “Escrevemos o código para fazer simulações muito mais rápidas e precisas do que nunca.”

Eisenstein, membro da colaboração DESI – que recentemente iniciou sua pesquisa para mapear uma parte sem precedentes do universo – diz que está ansioso para usar o contador no futuro.

“A cosmologia está avançando devido ao amálgama interdisciplinar de observações surpreendentes e computação moderna”, diz ele. “A próxima década promete ser uma era fascinante em nosso estudo da extensão histórica do universo.”

Referência: “Abacus Top: Enorme coleção deSaúde, Simulação de corpo N de alta resolução ”por Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose e Thomas P. Satterthwaite, 7 de setembro de 2021, mNotificações periódicas da Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab2484

Outros coautores de Abacus Summit e Abacus incluem Sihan Yuan da Stanford University, Philip Pinto da University of Arizona, Sunak Boss da Durham University na Inglaterra e o Center for Research in Astrophysics Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite e Douglas Ferrer. Simulações foram executadas no supercomputador Summit sob a atribuição Advanced Computing Challenge para Scientific Computing Research.

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Astronautas da Estação Espacial Internacional se preparam para coletar amostras de microorganismos durante uma próxima caminhada espacial, já que a partida da tripulação do Starliner está atrasada

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Astronautas da Estação Espacial Internacional se preparam para coletar amostras de microorganismos durante uma próxima caminhada espacial, já que a partida da tripulação do Starliner está atrasada

Dois astronautas da NASA sairão da Estação Espacial Internacional (ISS) na quinta-feira (13 de junho), e você poderá assistir ao evento ao vivo.

Os astronautas da NASA Tracey Caldwell Dyson e Matthew Dominick realizarão uma caminhada no espaço, ou atividade extraveicular (EVA), na quinta-feira. O evento está programado para começar às 8h EST (1200 GMT) e durar cerca de 6,5 horas.

Você pode assistir ao vivo aqui no Space.com, cortesia da NASA, ou pode assistir ao vivo Através da agência espacial. A cobertura começará às 6h30 EST (10h30 GMT). (Você pode ler mais sobre caminhadas espaciais e como elas funcionam em nossa página de referência do EVA.)

O astronauta da NASA Woody Hoburg monta o braço robótico Canadarm2 enquanto manobra um painel solar rolante em direção à estrutura de treliça da Estação Espacial Internacional, 257 milhas (414 quilômetros) acima do Oceano Pacífico, durante uma caminhada espacial em 9 de junho de 2023. (Crédito da imagem: NASA)

Durante a caminhada no espaço, a dupla recuperará um equipamento de comunicação defeituoso, conhecido como matriz de radiofrequência. Dyson também pesquisará o exterior da estação espacial para coletar amostras para estudar microorganismos em ambientes de microgravidade extrema.

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O avião Boeing Starliner agora sofre 5 vazamentos enquanto estava estacionado fora da Estação Espacial Internacional

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O avião Boeing Starliner agora sofre 5 vazamentos enquanto estava estacionado fora da Estação Espacial Internacional

depois Encaixe não especificado Na Estação Espacial Internacional, na semana passada, a Boeing conseguiu entregar dois astronautas da NASA ao laboratório orbital. A estressante saga Starliner continua à medida que a cápsula da tripulação desenvolve mais vazamentos em seu módulo de serviço. A NASA está atualmente avaliando sua capacidade de devolver a dupla à Terra.

Em uma atualização compartilhada na segunda-feira, NASA abrir As equipes da Starliner estão avaliando o impacto de cinco vazamentos de hélio no restante da missão. “Enquanto o Starliner está atracado, todas as escotilhas são fechadas nas operações normais da missão para evitar a perda de hélio dos tanques”, escreveu a agência espacial.

Se você está rastreando, ele esteve lá Três vazamentos na espaçonave Starliner Da última vez que verificamos. As equipes da Starliner identificaram dois novos vazamentos na espaçonave após seu lançamento em 5 de junho, além de… Vazamento de hélio descoberto antes da decolagem. A equipe levou algum tempo para avaliar o problema antes de lançar a cápsula, mas no final a Boeing e a NASA decidiram prosseguir com o voo da tripulação a bordo da espaçonave Starliner com vazamento sem resolver o problema.

A espaçonave consiste em uma cápsula de tripulação reutilizável e um módulo de serviço descartável. O hélio é usado em sistemas de propulsão de naves espaciais para permitir que os propulsores disparem sem serem inflamáveis ​​ou tóxicos. “Podemos lidar com esse vazamento específico se a taxa de vazamento aumentar em até 100 vezes”, disse Steve Stich, diretor do Programa de Tripulação Comercial da NASA, durante uma entrevista coletiva antes do lançamento do Starliner.

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Bem, está chegando lá. Embora os vazamentos sugiram que há um problema maior com o sistema de propulsão do Starliner, a NASA continua confiante em seu parceiro comercial e minimiza as falhas na espaçonave. “Os engenheiros avaliaram o fornecimento de hélio com base nas atuais taxas de vazamento e determinaram que o Starliner tinha ampla margem para suportar o voo de retorno da estação”, escreveu a NASA em sua atualização. “Apenas sete horas de voo livre são necessárias para realizar o final normal da missão, e o Starliner atualmente tem hélio suficiente em seus tanques para suportar 70 horas de atividade de voo livre após a separação.”

O “fim natural da missão” é fundamental aqui, já que o Starliner teve dificuldade em atracar na Estação Espacial Internacional. A Starliner perdeu sua primeira oportunidade de acoplagem às 12h15 horário do leste dos EUA devido a problemas técnicos, levando a NASA a mirar outra janela de acoplagem uma hora depois. Cinco dos motores da espaçonave falharam durante sua aproximação, quatro dos quais foram recuperados posteriormente. o A cápsula finalmente atracou Com a Estação Espacial Internacional às 13h34 horário do leste dos EUA em 6 de junho.

Enquanto estacionados fora da Estação Espacial Internacional, os engenheiros também estão avaliando uma válvula de isolamento do oxidante RCS no módulo de serviço que não foi fechada corretamente, de acordo com uma atualização recente da NASA. O RCS, ou Sistema de Controle de Reação, utiliza os impulsores para controlar a atitude e a direção, enquanto a válvula de isolamento do oxidante regula o fluxo do oxidante, necessário para a queima de combustível nos impulsores. Os gestores da missão continuam a trabalhar no plano de regresso, que inclui avaliações da lógica do voo, tolerância a falhas e potenciais mitigações operacionais para o resto do voo, escreveu a agência espacial.

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Starliner está programado para se separar da estação espacial em órbita até 18 de junho Teste de voo tripulado Faz parte do Programa de Tripulação Comercial da NASA e destina-se ao transporte de tripulação e carga de e para a Estação Espacial Internacional (ISS). US$ 4,3 bilhões Contratação com a agência espacial. O outro parceiro comercial da NASA, a SpaceX, lançou até agora oito tripulações para a estação espacial.

O objetivo do primeiro voo tripulado da espaçonave era fazer voos regulares para a Estação Espacial Internacional, mas a NASA pode exigir que o Starliner passe por alguns reparos antes que a cápsula seja aprovada para operação normal.

Para mais viagens espaciais em sua vida, siga-nos X Um marcador personalizado para o Gizmodo Página do voo espacial.

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Engenharia como principal previsão de terremotos

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Engenharia como principal previsão de terremotos

Pesquisadores da Brown University descobriram que a geometria das redes de falhas, e não apenas o atrito nas falhas geológicas, afeta muito a ocorrência e a intensidade dos terremotos. Crédito: SciTechDaily.com

Pesquisadores da Brown University descobriram que a geometria das falhas, incluindo deslocamentos e estruturas complexas dentro das zonas de falhas, desempenha um papel crítico na determinação da probabilidade e da força de um terremoto. Esta descoberta, baseada em estudos de falhas geológicas na Califórnia, desafia as visões tradicionais que se concentram principalmente na fricção.

Ao observar mais de perto a composição geométrica das rochas que originam os terremotos, os pesquisadores da Universidade Brown estão acrescentando uma nova ruga à crença de longa data sobre o que causa os terremotos.

Dinâmica do terremoto revisitada

A pesquisa, descrita em artigo publicado recentemente na revista naturezaRevela que a forma como as redes de falhas estão alinhadas desempenha um papel crucial na determinação de onde ocorre um terremoto e quão forte é. Estas descobertas desafiam a ideia tradicional de que é o tipo de atrito que ocorre nessas falhas que determina principalmente se os terremotos ocorrem ou não, e poderia melhorar a compreensão atual de como funcionam os terremotos.

“Nosso artigo pinta um quadro muito diferente sobre por que os terremotos acontecem”, disse Victor Tsai, geofísico da Universidade Brown e um dos principais autores do artigo. “Isso tem implicações muito importantes para onde se pode esperar que os terremotos ocorram versus onde os terremotos não podem ser esperados, e também para prever onde os terremotos serão mais prejudiciais.”

Visões tradicionais sobre a mecânica dos terremotos

As linhas de falha são os limites visíveis na superfície do planeta, onde as placas sólidas que constituem a litosfera da Terra colidem umas com as outras. Durante décadas, os geofísicos interpretaram os terramotos como ocorrendo quando a tensão se acumula nas falhas até ao ponto em que as falhas deslizam rapidamente ou se quebram umas sobre as outras, libertando a tensão reprimida numa acção conhecida como comportamento de deslizamento, diz Tsai.

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Os pesquisadores levantaram a hipótese de que o rápido deslizamento e os intensos movimentos do solo que se seguem são o resultado do atrito instável que pode ocorrer em falhas. Em contraste, a ideia é que quando o atrito é estável, as placas deslizam umas contra as outras lentamente, sem que ocorra um terremoto. Esse movimento constante e suave também é conhecido como rastejar.

Novas perspectivas sobre o comportamento da linha de falha

“As pessoas tentam medir essas propriedades de atrito, como se uma zona de falha tem atrito instável ou atrito estável, e então, com base em medições de laboratório disso, tentam prever se haverá ou não um terremoto ali”, disse Cai. Ele disse. “Nossas descobertas sugerem que pode ser mais importante observar a geometria das falhas nessas redes de falhas, porque pode ser a geometria complexa das estruturas em torno desses limites que cria esse comportamento instável versus estável.”

A geometria a considerar inclui complexidades nas estruturas rochosas subjacentes, como curvas, lacunas e degraus. O estudo é baseado na modelagem matemática e no estudo de zonas de falhas na Califórnia usando dados do banco de dados de falhas quaternárias do US Geological Survey e do California Geological Survey.

Exemplos detalhados e pesquisas anteriores

A equipe de pesquisa, que também inclui o estudante de pós-graduação da Brown University, Jaesuk Lee, e o geofísico Greg Hirth, fornece um exemplo mais detalhado para ilustrar como ocorrem os terremotos. Dizem que imagine defeitos colidindo uns com os outros como se tivessem dentes serrilhados como o fio de uma serra.

Quando há menos dentes ou dentes rombos, as pedras deslizam umas sobre as outras com mais suavidade, permitindo o rastejamento. Mas quando as estruturas rochosas nestas falhas são mais complexas e ásperas, estas estruturas unem-se e colam-se. Quando isso acontece, eles aumentam a pressão e, eventualmente, à medida que puxam e empurram com mais força, quebram, separando-se e causando terremotos.

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Efeitos da complexidade geométrica

O novo estudo é baseado em trabalho anterior Considere por que alguns terremotos geram maior movimento do solo em comparação com outros terremotos em diferentes partes do mundo, e às vezes até mesmo aqueles da mesma magnitude. O estudo mostrou que a colisão de blocos dentro de uma zona de falha durante um terremoto contribui significativamente para a geração de vibrações de alta frequência e levantou a ideia de que a complexidade geométrica do subsolo também pode desempenhar um papel em onde e por que ocorrem os terremotos.

Desequilíbrio e intensidade do terremoto

Analisando dados de falhas na Califórnia – que inclui a conhecida Falha de San Andreas – os pesquisadores descobriram que zonas de falha que tinham geometria complexa por baixo, o que significa que as estruturas não eram consistentes, revelaram ter movimentos de solo mais fortes do que movimentos menos geométricos. complexo. Zonas de erro. Isto também significa que algumas destas áreas terão terremotos mais fortes, outras terão terremotos mais fracos e algumas não terão terremotos.

Os pesquisadores determinaram isso com base no desequilíbrio médio dos erros analisados. Esta taxa de desalinhamento mede o quão próximas as falhas estão em uma determinada área e todas vão na mesma direção versus indo em direções diferentes. A análise revelou que zonas de falha onde as falhas são mais oblíquas causam episódios de deslizamento na forma de terremotos. As zonas de falha onde a geometria da falha estava mais alinhada facilitaram o deslizamento suave da falha sem terremotos.

“Compreender como as falhas se comportam como um sistema é essencial para compreender por que e como ocorrem os terremotos”, disse Lee, o estudante de pós-graduação que liderou o trabalho. “Nossa pesquisa sugere que a complexidade da arquitetura da rede de erros é o fator chave e cria conexões significativas entre conjuntos de observações independentes e os integra em uma nova estrutura.”

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Direções futuras na pesquisa de terremotos

Os pesquisadores dizem que mais trabalho precisa ser feito para validar totalmente o modelo, mas este trabalho preliminar sugere que a ideia é promissora, especialmente porque o desalinhamento ou desalinhamento é mais fácil de medir do que as propriedades do desalinhamento. Se este trabalho for válido, poderá um dia ser incorporado em modelos de previsão de terremotos.

Isso ainda está muito distante no momento, à medida que os pesquisadores começam a determinar como desenvolver o estudo.

“A coisa mais óbvia que vem a seguir é tentar ir além da Califórnia e ver como esse modelo se comporta”, disse Tsai. “Esta é potencialmente uma nova maneira de entender como ocorrem os terremotos.”

Referência: “A geometria da rede de falhas influencia o comportamento de fricção dos terremotos” por Jaesuk Lee, Victor C. Tsai, Greg Hirth, Avigyan Chatterjee e Daniel T. Trugman, 5 de junho de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07518-6

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation. Além de Li, Tsai e Hirth, a equipe também incluiu Avighyan Chatterjee e Daniel Trugman, da Universidade de Nevada, Reno.

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