Desde tiempos inmemoriales, filósofos y eruditos han tratado de determinar cómo comenzó la existencia. Con el nacimiento de la astronomía moderna, esta tradición ha continuado y ha dado lugar al campo conocido como cosmología. Y con la ayuda de la supercomputación, los científicos pueden realizar simulaciones que muestran cómo las primeras estrellas y galaxias se formaron en nuestro Universo y evolucionaron a lo largo de miles de millones de años.
Hasta hace poco, el estudio más extenso y completo fue la simulación "Illustrus", que analizó el proceso de formación de galaxias en el transcurso de los últimos 13 mil millones de años. Buscando romper su propio récord, el mismo equipo recientemente comenzó a realizar una simulación conocida como "Illustris, The Next Generation" o "IllustrisTNG". La primera ronda de estos hallazgos se lanzó recientemente, y se espera que sigan varios más.
Estos hallazgos aparecieron en tres artículos publicados recientemente en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. El equipo de Illustris está formado por investigadores del Instituto de Estudios Teóricos de Heidelberg, los Institutos Max-Planck de Astrofísica y Astronomía, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad de Harvard y el Centro de Astrofísica Computacional de Nueva York.
Utilizando la supercomputadora Hazel Hen en el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS), una de las tres instalaciones de supercomputación alemanas de clase mundial que comprende el Centro Gauss de Supercomputación (GCS), el equipo realizó una simulación que ayudará a verificar y expandir sobre el conocimiento experimental existente sobre las primeras etapas del Universo, es decir, lo que sucedió desde 300,000 años después del Big Bang hasta la actualidad.
Para crear esta simulación, el equipo combinó ecuaciones (como la Teoría de la relatividad general) y datos de observaciones modernas en un cubo computacional masivo que representaba una gran sección transversal del Universo. Para algunos procesos, como la formación de estrellas y el crecimiento de agujeros negros, los investigadores se vieron obligados a confiar en suposiciones basadas en observaciones. Luego emplearon modelos numéricos para poner este Universo simulado en movimiento.
En comparación con su simulación anterior, IllustrisTNG constaba de 3 universos diferentes en tres resoluciones diferentes, la mayor de las cuales medía mil millones de años luz (300 megaparsecs) de ancho. Además, el equipo de investigación incluyó una contabilidad más precisa de los campos magnéticos, mejorando así la precisión. En total, la simulación usó 24,000 núcleos en la supercomputadora Hazel Hen por un total de 35 millones de horas centrales.
Como explicó el profesor Dr. Volker Springel, profesor e investigador del Instituto de Estudios Teóricos de Heidelberg e investigador principal del proyecto, en un comunicado de prensa del Centro Gauss:
“Los campos magnéticos son interesantes por una variedad de razones. La presión magnética ejercida sobre el gas cósmico ocasionalmente puede ser igual a la presión térmica (temperatura), lo que significa que si descuida esto, perderá estos efectos y finalmente comprometerá sus resultados ”.
Otra diferencia importante fue la inclusión de la física de agujeros negros actualizada basada en campañas de observación recientes. Esto incluye evidencia que demuestra una correlación entre los agujeros negros supermasivos (SMBH) y la evolución galáctica. En esencia, se sabe que los SMBH envían una enorme cantidad de energía en forma de radiación y chorros de partículas, lo que puede tener un efecto deslumbrante en la formación de estrellas en una galaxia.
Si bien los investigadores fueron conscientes de este proceso durante la primera simulación, no tuvieron en cuenta cómo puede detener por completo la formación de estrellas. Al incluir datos actualizados sobre los campos magnéticos y la física de los agujeros negros en la simulación, el equipo observó una mayor correlación entre los datos y las observaciones. Por lo tanto, tienen más confianza en los resultados y creen que representa la simulación más precisa hasta la fecha.
Pero como explicó el Dr. Dylan Nelson, físico del Instituto de Astronomía Max Planck y miembro de llustricTNG, es probable que las simulaciones futuras sean aún más precisas, suponiendo que continúen los avances en las supercomputadoras:
“El aumento de la memoria y los recursos de procesamiento en los sistemas de próxima generación nos permitirán simular grandes volúmenes del universo con mayor resolución. Los grandes volúmenes son importantes para la cosmología, comprender la estructura a gran escala del universo y hacer predicciones firmes para la próxima generación de grandes proyectos de observación. La alta resolución es importante para mejorar nuestros modelos físicos de los procesos que ocurren dentro de galaxias individuales en nuestra simulación ”.
Esta última simulación también fue posible gracias al amplio apoyo brindado por el personal de GCS, que ayudó al equipo de investigación con asuntos relacionados con su codificación. También fue el resultado de un esfuerzo de colaboración masivo que reunió a investigadores de todo el mundo y los combinó con los recursos que necesitaban. Por último, pero no menos importante, muestra cómo una mayor colaboración entre la investigación aplicada y la investigación teórica conduce a mejores resultados.
Mirando hacia el futuro, el equipo espera que los resultados de esta última simulación demuestren ser aún más útiles que la anterior. La publicación de datos original de Illustris obtuvo más de 2,000 usuarios registrados y resultó en la publicación de 130 estudios científicos. Dado que este es más preciso y actualizado, el equipo espera que encuentre más usuarios y resulte en una investigación aún más innovadora.
¿Quién sabe? Quizás algún día, podamos crear una simulación que capture la formación y evolución de nuestro Universo con total precisión. Mientras tanto, asegúrese de disfrutar este video de la primera simulación Illustris, cortesía del miembro del equipo y físico del MIT Mark Vogelsberger:
