As simulações computacionais se apresentam como uma poderosa ferramenta na astrofísica e na cosmologia em geral. O problema do estudo da dinâmica galáctica, que em cosmologia significa o estudo da formação de estruturas no Universo em larga escala e do problema gravitacional de N-corpos, estariam muito atrasados e prejudicados sem a possibilidade da utilização deste recurso.

As simulações computacionais vêm adquirindo um status tão relevante que atualmente parte da comunidade científica tem defendido que a clássica divisão da Física em “Física Experimental” e “Física Teórica” possua uma nova via, a “Física Computacional”. Os resultados obtidos por essa nova área da física possuem uma riqueza de detalhes que é sem precedentes na historia recente do desenvolvimento de modelos cosmológicos.

Segundo Rosa⁽¹⁾ , a computação na cosmologia trata desde a coleta, processamento e análise de dados observacionais até a simulação do Universo em diferentes fases da sua evolução. Como em qualquer outra área da ciência, a computação atua por um no armazenamento, tratamento e análise dos dados observados, de forma a proporcionar um confronto detalhado e robusto com a teoria. Por outro, a simulação numérica acaba servindo de ponte para intermediar a teoria do mundo real.

Figura 1 Quadro geral da simulação computacional.

Atualmente, os recursos disponíveis de hardware e software têm permitido a realização de "experimentos" numéricos que possibilitam aos pesquisadores avaliarem sistemas físicos anteriormente considerados complexos⁽²⁾. Desse modo, as simulações podem tanto fornecer previsões teóricas importantes para a validação ou não do modelo estudado ou proporcior insights sobre fenômenos físicos, que dificilmente seriam obtidos de outra forma. Como exemplo, podemos citar a simulação da evolução dinâmica de sistemas, como galáxias e aglomerados de galáxias ao longo de bilhões de anos⁽³⁾.

Existem diversos trabalhos sobre a evolução de galáxias e aglomerado de galáxia. Um desses trabalhos merece destaque por seu esforço computacional realizado, o Millennium Run, ou Millennium Simulation⁽⁵⁾.

No Millennium Run, foram usados mais de 10 bilhões de partículas para rastrear a evolução da distribuição de matéria em uma região cúbica do Universo com mais de 2 bilhões de anos-luz de lado. Esta simulação manteve ocupado o principal supercomputador do Centro de Supercomputação Max Planck Society, em Garching, Alemanha, durante mais de um mês, gerando mais de 25 TB (Terabyte) de dados.

Figura 1 – Sequência de uma simulação produzida pelo Millennium Run.

Crédito da Figura: http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/index.shtml

A Simulação acima produzida pelo Millennium é uma visualização 3D de uma viagem simulada pelo Universo. No caminho, visitamos um rico aglomerado de galáxias e orbitamos em torno dele. Durante os dois minutos do filme, a luz poderia viajar uma distância de aproximadamente de 2,4 bilhões de anos-luz. 

 Figura 2 – Simulação da distribuição da matéria escura no universo

Crédito da Figura: http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/index.shtml

A figura 2 acima e o filme abaixo mostram a simulação da distribuição da matéria escura no Universo no tempo presente realizada pelo  Millennium. No zoom em um conjunto maciço de galáxias, o filme destaca a morfologia da estrutura em diferentes escalas e do grande alcance dinâmico da simulação. O zoom se estende desde escalas de vários Gpc (Gigaparsec) até subestruturas tão pequenas como ~ 10 kpc (kiloparsec).

As simulações com diferentes condições iniciais levam à formação de estruturas com distintas características. A comparação com dados observacionais e o uso de diversas ferramentas matemáticas ajudam os cientistas a validar, a propor modificações, ou até mesmo descartar os modelos cosmológicos estudados.

Um exemplo disto é a simulação das estruturas em grandes escalas do Universo. Os detalhes da formação das estruturas depende, por exemplo, se a matéria escura considerada na simulação for fria, quente ou morna.