Los astrónomos llevan a cabo la mayor simulación informática cosmológica de la historia.

23 de octubre de 2023

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editado por la Real Sociedad Astronómica

Un equipo internacional de astrónomos ha llevado a cabo lo que se cree que es la simulación cosmológica más grande jamás realizada, rastreando no solo la materia oscura sino también la materia ordinaria (como planetas, estrellas y galaxias), dándonos una idea de cómo funciona nuestra universo.

Las simulaciones de FLAMINGO calculan la evolución de todos los componentes del universo (materia ordinaria, materia oscura y energía oscura) de acuerdo con las leyes de la física. A medida que avanza la simulación, emergen galaxias virtuales y cúmulos de galaxias. Se han publicado tres artículos en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: uno describe los métodos, otro presenta las simulaciones y el tercero examina qué tan bien las simulaciones reproducen la estructura a gran escala del universo.

Instalaciones como el Telescopio Espacial Euclid de la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzado recientemente y el JWST de la NASA recopilan cantidades impresionantes de datos sobre galaxias, cuásares y estrellas. Simulaciones como FLAMINGO desempeñan un papel fundamental en la interpretación científica de los datos, vinculando las predicciones de las teorías de nuestro universo con los datos observados.

Según la teoría, las propiedades de todo el universo están determinadas por unos pocos números llamados "parámetros cosmológicos" (seis en la versión más simple de la teoría). Los valores de estos parámetros se pueden medir con gran precisión de diversas formas.

Uno de esos métodos se basa en las propiedades del fondo cósmico de microondas (CMB), una tenue luminiscencia de fondo que quedó del universo primitivo. Sin embargo, estos valores no coinciden con los medidos por otras técnicas que se basan en la forma en que la fuerza gravitacional de las galaxias desvía la luz (lente gravitacional). Estas "tensiones" podrían señalar el fin del modelo estándar de cosmología: el modelo de materia oscura fría.

Las simulaciones por computadora podrían revelar la causa de estas tensiones porque pueden informar a los científicos sobre posibles sesgos (errores sistemáticos) en las mediciones. Si nada de esto resulta suficiente para explicar las tensiones, la teoría estará en serios problemas.

Hasta ahora, las simulaciones por ordenador utilizadas para comparar con las observaciones sólo han seguido la materia oscura fría. "Aunque la materia oscura domine la gravedad, no se puede seguir ignorando la contribución de la materia ordinaria", afirma Joop Schaye (Universidad de Leiden), director de la investigación, "ya que esta contribución podría ser similar a las desviaciones entre modelos y observaciones".

Los primeros resultados muestran que tanto los neutrinos como la materia ordinaria son indispensables para obtener predicciones precisas, pero no eliminan las tensiones entre diferentes observaciones cosmológicas.

Las simulaciones que también rastrean la materia bariónica ordinaria (también conocida como materia bariónica) son mucho más complejas y requieren mucha más potencia informática. Esto se debe a que la materia ordinaria, que constituye sólo el dieciséis por ciento de toda la materia del universo, experimenta no sólo la gravedad sino también la presión del gas, lo que puede provocar que la materia sea expulsada de las galaxias por los agujeros negros activos y las supernovas hasta el espacio intergaláctico.

La fuerza de estos vientos intergalácticos depende de explosiones en el medio interestelar y es muy difícil de predecir. Además, la contribución de los neutrinos, partículas subatómicas de masa muy pequeña pero no conocida con precisión, es importante pero su movimiento aún no ha sido simulado.

Los astrónomos han completado una serie de simulaciones por computadora que rastrean la formación de estructuras en la materia oscura, la materia ordinaria y los neutrinos. El estudiante de doctorado Roi Kugel (Universidad de Leiden) explica: «El efecto de los vientos galácticos se calibró mediante aprendizaje automático, comparando predicciones de muchas simulaciones diferentes de volúmenes relativamente pequeños con las masas de galaxias observadas y la distribución del gas en los cúmulos de galaxias.

Luego, los investigadores simularon el modelo que mejor describe las observaciones de calibración con una supercomputadora en diferentes volúmenes cósmicos y con diferentes resoluciones. Además, variaron los parámetros del modelo, incluida la fuerza de los vientos galácticos, la masa de los neutrinos y los parámetros cosmológicos en simulaciones de volúmenes ligeramente más pequeños pero aún grandes.

La simulación más grande utiliza 300 mil millones de elementos de resolución (partículas con la masa de una galaxia pequeña) en un volumen cúbico con aristas de diez mil millones de años luz. Se cree que esta es la simulación cosmológica por computadora más grande jamás realizada con materia ordinaria. Matthieu Schaller, de la Universidad de Leiden, afirmó: "Para hacer posible esta simulación, desarrollamos un nuevo código, SWIFT, que distribuye eficientemente el trabajo computacional entre 30.000 CPU".

Las simulaciones de FLAMINGO abren una nueva ventana virtual al universo que ayudará a aprovechar al máximo las observaciones cosmológicas. Además, la gran cantidad de datos (virtuales) crea oportunidades para realizar nuevos descubrimientos teóricos y probar nuevas técnicas de análisis de datos, incluido el aprendizaje automático.

Utilizando el aprendizaje automático, los astrónomos pueden hacer predicciones para universos virtuales aleatorios. Al compararlos con observaciones de estructuras a gran escala, pueden medir los valores de los parámetros cosmológicos. Además, pueden medir las incertidumbres correspondientes comparándolas con observaciones que limitan el efecto de los vientos galácticos.

Más información: Joop Schaye et al, El proyecto FLAMINGO: simulaciones cosmológicas hidrodinámicas para estudios de estructuras y cúmulos de galaxias a gran escala, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2419

Roi Kugel et al, FLAMINGO: Calibración de grandes simulaciones hidrodinámicas cosmológicas con aprendizaje automático, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2540

Información de la revista: Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society

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