Filamentos del universo

Hoy en día, los mayores misterios que enfrentan los astrónomos y cosmólogos son los roles que juegan la atracción gravitacional y la expansión cósmica en la evolución del Universo. Para resolver estos misterios, los astrónomos y cosmólogos están adoptando un enfoque doble. Estos consisten en observar directamente el cosmos para observar estas fuerzas en acción mientras se intenta encontrar resoluciones teóricas para los comportamientos observados, como la Materia Oscura y la Energía Oscura.

Entre estos dos enfoques, los científicos modelan la evolución cósmica con simulaciones por ordenador para ver si las observaciones se alinean con las predicciones teóricas. El último de los cuales es AbacusSummit, una suite de simulación creada por el Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron y el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA). Capaz de procesar casi 60 trillones de partículas, esta suite es la simulación cosmológica más grande jamás producida.

Los creadores de AbacusSummit anunciaron la suite de simulación en una serie de artículos que aparecieron en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Compuesto por más de 160 simulaciones, modela cómo se comportan las partículas en un entorno en forma de caja debido a la atracción gravitacional. Estos modelos se conocen como simulaciones de N-body y son intrínsecos para modelar cómo la materia oscura interactúa con la materia bariónica (también conocida como «visible»).

La distribución simulada de materia oscura en las galaxias. Créditos: Brinckmann et al.

El desarrollo de la suite de simulación AbacusSummit fue dirigido por Lehman Garrison (investigador de CCA) y Nina Maksimova y Daniel Eisenstein, estudiante de posgrado y profesor de astronomía de la CfA (respectivamente). Las simulaciones se ejecutaron en la supercomputadora Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) en Tennessee, supervisada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DoE).

Los cálculos de N-cuerpos, que consisten en calcular la interacción gravitacional de planetas y otros objetos, se encuentran entre los mayores desafíos que enfrentan los astrofísicos en la actualidad. Parte de lo que lo hace desalentador es que cada objeto interactúa con todos los demás, independientemente de la distancia entre ellos: cuantos más objetos se estudien, más interacciones deben tenerse en cuenta.

Hasta la fecha, todavía no hay solución para los problemas de N cuerpos en los que están involucrados tres o más cuerpos masivos, y los cálculos disponibles son meras aproximaciones. Por ejemplo, las matemáticas para calcular la interacción de tres cuerpos, como un sistema estelar binario y un planeta (conocido como el «Problema de los Tres Cuerpos»), aún no se han resuelto. Un enfoque común con las simulaciones cosmológicas es detener el reloj, calcular la fuerza total que actúa sobre cada objeto, adelantar el tiempo lentamente y repetirlo.

Por el bien de su investigación (que fue dirigida por Maksimova), el equipo diseñó su base de código (llamada Abacus) para aprovechar el poder de procesamiento paralelo de Summit, mediante el cual se pueden ejecutar múltiples cálculos simultáneamente. También se basaron en algoritmos de aprendizaje automático y un nuevo método numérico, que les permitió calcular 70 millones de partículas por nodo/s en los primeros momentos y 45 millones de actualizaciones de partículas por nodo/s en los últimos tiempos.

Una instantánea de una de las simulaciones de AbacusSummit, mostrada en varias escalas de zoom: 10 mil millones de años luz de ancho, 1.2 mil millones de años luz de ancho y 100 millones de años luz de ancho. Créditos: El equipo AbacusSummit / diseño de Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation

Como explicó Garrison en un comunicado de prensa reciente de CCA:

“Esta suite es tan grande que probablemente tenga más partículas que todas las demás simulaciones de N-cuerpos que se hayan ejecutado combinadas, aunque es difícil estar seguro de esa afirmación. Los estudios de galaxias están entregando mapas tremendamente detallados del Universo, y necesitamos simulaciones igualmente ambiciosas que cubran una amplia gama de universos posibles en los que podríamos vivir.

“AbacusSummit es el primer conjunto de simulaciones de este tipo que tiene la amplitud y la fidelidad para comparar con estas asombrosas observaciones … Nuestra visión era crear este código para entregar las simulaciones que se necesitan para esta nueva marca particular de estudio de galaxias. Escribimos el código para hacer las simulaciones mucho más rápido y con mucha más precisión que nunca ”.

Además de los desafíos habituales, la ejecución de simulaciones completas de cálculos de N cuerpos requiere que los algoritmos se diseñen cuidadosamente debido a todo el almacenamiento de memoria involucrado. Esto significa que Abacus no pudo hacer copias de la simulación para trabajar en diferentes nodos de supercomputadoras y dividió cada simulación en una cuadrícula. Consiste en realizar cálculos aproximados para partículas distantes, que juegan un papel menor que las cercanas.

Luego divide las partículas cercanas en múltiples celdas para que la computadora pueda trabajar en cada una de forma independiente, luego combina los resultados de cada una con la aproximación de partículas distantes. El equipo de investigación descubrió que este enfoque (divisiones uniformes) hace un mejor uso del procesamiento paralelo y permite calcular una gran cantidad de la aproximación de partículas distantes antes de que comience la simulación.

Visualización del procesamiento informático paralelo de Abacus. Créditos: Lucy Reading-Ikkanda / Fundación Simons

Esta es una mejora significativa con respecto a otras bases de código de N cuerpos, que dividen irregularmente las simulaciones en función de la distribución de partículas. Gracias a su diseño, Abacus puede actualizar 70 millones de partículas por nodo / segundo (donde cada partícula representa un grupo de materia oscura con tres mil millones de masas solares). También puede analizar la simulación mientras se está ejecutando y buscar parches de materia oscura que indiquen la presencia de galaxias brillantes formadoras de estrellas.

Estos y otros objetos cosmológicos serán objeto de estudios futuros que mapeen el cosmos con un detalle sin precedentes. Estos incluyen el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman (RST) y la nave espacial Euclid de la ESA. Uno de los objetivos de estas misiones de gran presupuesto es mejorar las estimaciones de los parámetros cósmicos y astrofísicos que determinan cómo se comporta y se ve el Universo.

Esto, a su vez, permitirá simulaciones más detalladas que emplean valores actualizados para varios parámetros, como la Energía Oscura. Daniel J. Eisenstein, investigador del CfA y coautor del artículo, también es miembro de la colaboración DESI. Él y otros como él esperan con ansias lo que Abacus puede hacer por estos estudios cosmológicos en los próximos años.

“La cosmología está dando un salto hacia adelante debido a la fusión multidisciplinaria de observaciones espectaculares y computación de vanguardia”, dijo. «La próxima década promete ser una época maravillosa en nuestro estudio de la extensión histórica del universo».

Lecturas adicionales en Inglés: Fundación Simons, MNRAS

Artículo con fines divulgativos basado en el artículo original en Inglés.
Créditos: Matt Williams, Universe Today
Salvo indicación contraria este trabajo está licenciado por el autor bajo la licencia International Creative Commons Attribution 4.0

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