A Máquina de Deus no porão de Durham

Durante setenta e dois milhões de horas, um supercomputador em um canto tranquilo do Norte da Inglaterra processou as leis da física até que "cuspiu" um fantasma. Não foi uma falha ou uma sequência aleatória de números, mas um reflexo: um universo sintético tão preciso que seus criadores afirmam ser indistinguível daquele em que realmente habitamos. Quando as imagens finalmente piscaram nos monitores da Durham University, os pesquisadores não estavam olhando para aproximações granuladas; eles estavam observando galáxias que compartilhavam exatamente as luminosidades, cores e aglomerados das estrelas que vemos através dos telescópios mais poderosos existentes.

Este não foi um projeto nascido do desejo de brincar de Deus. Foi uma tentativa desesperada de salvar a versão atual da realidade. Nos últimos anos, o mundo da cosmologia tem vivido um estado de pânico silencioso. Dados provenientes do Telescópio Espacial James Webb (JWST) têm se comportado mal, mostrando-nos galáxias antigas que são grandes e brilhantes demais para que nossas teorias atuais possam explicar. Alguns físicos começaram a sussurrar que nosso "modelo padrão" do universo estava irremediavelmente quebrado. O projeto COLIBRE — resultado de dez anos de trabalho internacional exaustivo — foi criado para descobrir se a matemática ainda se sustenta ou se precisamos rasgar o livro de regras e começar tudo de novo.

A escala do processamento de dados envolvido é difícil de compreender sem uma cerveja e uma calculadora. Para executar a maior versão desta simulação, o supercomputador COSMA8 trabalhou pelo equivalente a 8.219 anos da vida de um processador comum. Se você tentasse fazer isso no seu laptop de última geração, a máquina provavelmente derreteria em uma poça de silício antes de terminar um bilionésimo do trabalho. Esse investimento massivo de energia digital foi necessário porque a equipe decidiu parar de usar atalhos que assombram as simulações espaciais há décadas.

A barreira dos dez mil graus

Para entender por que esta simulação é diferente, você precisa entender por que as anteriores eram essencialmente desenhos animados. O espaço é grande, mas também é caótico. Até agora, os astrônomos tinham dificuldades em modelar gases "frios" — qualquer coisa abaixo de cerca de 5.500 graus Celsius (10.000 graus Fahrenheit). Embora isso soe como um alto-forno para um ser humano, em termos cósmicos, é praticamente congelante. Como esses gases frios e as nuvens de poeira que eles carregam se comportam de maneiras incrivelmente complexas e turbulentas, as simulações anteriores simplesmente os descartavam. Eles estabeleciam um limite rígido em 10.000 graus e esperavam que os dados ausentes não fossem tão importantes.

Carlos Frenk, físico da Durham University e um dos principais arquitetos do projeto, descreveu o momento da conclusão como "exaltante". Uma coisa é ter uma teoria no papel; outra é assistir a uma máquina seguir essa teoria e construir uma galáxia que se parece exatamente com a que você vê quando aponta um telescópio para o céu. Se a simulação tivesse produzido outra coisa — aglomerados de matéria que não se uniam ou estrelas que se apagavam rápido demais —, teria sido o prego final no caixão da nossa compreensão do cosmos.

Por que a física estava enfrentando uma crise de meia-idade

A tensão que impulsiona este projeto vem de um conjunto específico de observações que têm assombrado os corredores da NASA. Quando o JWST foi lançado, começou a ver coisas que não deveria: galáxias massivas no universo muito primitivo. De acordo com o modelo padrão, essas galáxias não teriam tido tempo suficiente para crescer tanto. Era como entrar em um berçário e encontrar um recém-nascido com quase dois metros de altura e capaz de recitar Shakespeare. Não fazia sentido, e isso gerou uma enxurrada de manchetes sugerindo que o Big Bang nunca aconteceu ou que a gravidade funciona de maneira diferente do que pensávamos.

No entanto, a simulação não trouxe apenas conforto. Ela também destacou um problema evidente e de cor rubi que os físicos ainda lutam para explicar. Mesmo com 72 milhões de horas de poder de supercomputação, o modelo ainda não consegue explicar totalmente os "Pequenos Pontos Vermelhos" (Little Red Dots). Trata-se de uma classe de objetos incrivelmente brilhantes e compactos descobertos pelo JWST que existiram quando o universo tinha menos de um bilhão de anos. Eles parecem galáxias, mas são densos demais e parecem desaparecer à medida que o universo envelhece. Eles são o equivalente cósmico de uma história de fantasma — ali em um minuto, desaparecidos no próximo, e recusando-se a seguir as regras.

As concessões de brincar de deus virtual

Toda simulação é um compromisso entre precisão e escala. Mesmo com o poder do COSMA8, os pesquisadores tiveram que fazer escolhas. Eles podem modelar um volume massivo do universo, mas não conseguem ver cada seixo ou asteroide individual. Eles estão observando a escala "macro" — a maneira como a matéria escura atrai o gás, como os buracos negros no centro das galáxias expelem material de volta para o espaço e como essas forças se equilibram ao longo de bilhões de anos. Este é um jogo de contabilidade cósmica e, pela primeira vez, os livros parecem finalmente fechar.

O verdadeiro valor do COLIBRE não está apenas em provar que estamos certos; está em nos dar um campo de testes para verificar onde podemos estar errados. Se quisermos saber o que acontece se a matéria escura for "quente" em vez de "fria", ou se quisermos ver como um tipo diferente de crescimento de buraco negro afeta a forma de uma galáxia espiral, não precisamos esperar bilhões de anos por um experimento no mundo real. Basta alterar uma linha de código e executar a simulação novamente. É um laboratório onde a amostra é o universo inteiro.

Há também um custo humano para esse tipo de trabalho que muitas vezes não é mencionado. Uma década da vida de um cientista é um preço alto a pagar por um software. A equipe em Durham e seus parceiros internacionais passaram anos aperfeiçoando a física de "sub-grade" — os detalhes minúsculos e granulares que ditam como as estrelas se inflamam e morrem. É uma rotina de depuração, testes e falhas, tudo para produzir um resultado que, se funcionar perfeitamente, parece exatamente com o que já conhecemos. É o paradoxo final da ciência: você trabalha por dez anos apenas para provar que o mundo é exatamente como você suspeitava que fosse.

Um universo feito de matemática

Uma das conclusões mais profundas do projeto COLIBRE é a confirmação de que nosso universo é fundamentalmente matemático. Há algo profundamente perturbador — e talvez um pouco reconfortante — sobre o fato de que você pode inserir equações básicas de gravidade, termodinâmica e dinâmica de fluidos em uma máquina e obter um "universo" do outro lado. Isso sugere que a complexidade que vemos ao olhar para a Via Láctea não é um acaso ou um milagre; é uma inevitabilidade. Se você tiver os ingredientes certos e as regras certas, as estrelas não têm escolha a não ser se formar.

Por enquanto, o modelo padrão vive para lutar outro dia. Ele sobreviveu ao primeiro contato com o Telescópio Espacial James Webb, em grande parte graças ao trabalho pesado realizado naquele porão em Durham. Podemos viver em um universo caótico, frio e cheio de poeira, mas, pelo menos, podemos finalmente dizer que sabemos como a poeira assenta. E quanto às coisas que a simulação ainda não consegue explicar? Essas são as partes que fazem valer a pena esperar pelos próximos setenta e dois milhões de horas.