Ciencia Kanija

Incorporando la física de los agujeros negros a un modelo altamente sofisticado ejecutado sobre un potente sistema de supercomputación, un equipo internacional de científicos ha conseguido una simulación sin precedentes de la evolución cósmica que verifica y hace más profunda nuestra comprensión de las relaciones entre los agujeros negros y las galaxias en las que residen. Llamada BHCosmo, la simulación muestra que los agujeros negros son estructuras íntegros en la estructura del cosmos y pueden ayudar a los usuarios a guiar futuros telescopios, mostrándoles qué buscar cuando apuntan para situar los primeros eventos cósmicos y desenredar la historia del universo.

El equipo de investigación está liderado por la Universidad Carnegie Mellon e incluye científicos del Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica y el Instituto Max Planck para Astrofísica en Alemania. La investigación se haya en los medios a través de The Astrophysical Journal (http://lanl.arxiv.org/abs/0705.2269).

“La nuestra es la primera simulación que incorpora la física de los agujeros negros”, dijo Tiziana Di Matteo, cosmólogo teórico de y profesora asociada de física en la Facultad de Ciencias de Mellon en Carnegie Mellon. “Es un reto mayormente computacional, que involucra más cálculo que ningún otro modelo anterior del cosmos, y el resultado nos ofrece la mejor descripción hasta la fecha de cómo se formó el cosmos”.

Di Matteo realizó su simulación usando el sistema Cray XT3 en el Centro de Supercomputación de Pittsburgh (PSC), el sistema “fuertemente acoplado” más potente de Internet disponible a través del TeraGrid de la Fundación Nacional de Ciencia. Los colaboradores de Di Matteo incluyen a Jörg Colberg de Carnegie Mellon, Volker Springel y Debora Sijacki del Instituto de Max Planck para Astrofísica, y Lars Hernquist de Harvard.

Las observaciones experimentales revelan que los agujeros negros son importantes reguladores de la formación de galaxias y, finalmente, del tejido del universo de hoy, de acuerdo con Di Matteo. No obstante, las simulaciones previas no tuvieron en cuenta los agujeros negros debido a que la demanda computacional era prohibitiva.

“Incluir los agujeros negros en las simulaciones por ordenador es crítico. Las galaxias que vemos hoy se ven hoy de esta forma debido a la física de los agujeros negros”, añadió Springel, líder del grupo de investigación en Max Planck. “Debemos hacer las simulaciones para comprender el papel que han desempeñado los agujeros negros en la formación de las estructuras tanto del universo joven como del actual”.

Los agujeros negros más grandes, llamados agujeros negros supermasivos, yacen en el centro de cada galaxia. Inicialmente pueden surgir cuando las primeras estrellas colapsan bajo su propia gravedad. Rodeadas por un gas denso en sus situaciones centrales, consumen el material de su alrededor, tanto gas como estrellas, y crecen rápidamente para convertirse en monstruos, algunos con masas de mil millones de veces nuestro Sol. Pero las pruebas sugieren que los agujeros negros supermasivos son auto-reguladores — no se dan el festín para siempre y nunca se tragan una galaxia completa, dijo Di Matteo.

En su simulación cósmica, como en la realidad, las galaxias colisionan de forma rutinaria. Los agujeros negros supermasivos incrustados en el centro de estas galaxias coreografían la dinámica de las colisiones galácticas. El resultado es una tremenda erupción de energía producida cuando la fusión de agujeros negros forman una luminosa estrella llamada quásar.

“La formación de un quásar captura de verdad la diversión que tiene lugar en una galaxia”, dijo Di Matteo. “Puedes usar una única simulación para seguir una compleja historia no lineal para comprender cómo aparecieron los quásar y otras estructuras cósmicas”.

La simulación de Di Matteo cubrió múltiples escalas de espacio y tiempo hasta 100 millones de años luz. Esto era imposible de hacer sin una potente supercomputadora. “El XT3 es ideal para esta simulación debido a que tiene una comunicación intrínseca increiblemente rápida”, apuntó.

Di Matteo configuró las condiciones iniciales de la simulación para reflejas la radiación de fondo de microondas cósmicas producidas en el nacimiento del universo. Entonces sembró la simulación con 250 millones de partículas que representan la materia medible cotidiana. Para la simulación, Di Matteo usó esferas fluidas para representar grupos de materia tales como gas enfriándose. Este paso fue vital dado que los investigadores pudieron calcular todas las fuerzas físicas de esos grupos. También factorizó la gravedad ejercida por la materia oscura, el material invisible que comprende el 90 por ciento del universo. Además, sus cálculos tuvieron en cuenta las fuerzas asociadas con distintos fenómenos cósmicos, incluyendo gas en enfriamiento, agujeros negros en crecimiento y estrellas explotando.

Para hacer posible el cálculo, los científicos usaron 2000 procesadores – todo el sistema- del Cray XT3 paralelo durante cuatro semanas de tiempo de cómputo. Incluso con este vasto poder de cálculo, se necesiraron técnicas especiales para ser capaces de calcular todas las fuerzas gravitatorias incluidas. Por ejemplo, se inorporó un “árbol” en el cual las partículas cósmicas cercanas quedan en la misma “rama” y las ramas cercanas estaban unidas. Para calcular las fuerzas sobre las partículas de toda la estructura completa del árbol, el número de cálculos requeridos se redujo en un factor de unos millones a algo más manejable.

Los resultados eran impresionantes. La simulación de Di Matteo permite a los científicos seguir con mayor facilidad el colapso de las galaxias. También ha resuelto las escalas espaciales que varían desde las estructuras dentro de una única galaxia a las estructuras filamentosas en las que habitan las galaxias, que están en términos de decenas de millones de años luz de longitud.

“Creemos que nuestro trabajo tiene unas profundas implicaciones para la cosmología”, dijo Di Matteo. “Hemos hallado que los agujeros negros más masivos del inicio no son tan masivos como los que vemos hoy, por lo que simular la evolución dinámica de estas estructuras es crítico para comprender la historia cósmica. Quisiera que fuésemos lo bastante osados como para modelar el universo a las escalas observadas con el Explorador del Cielo Digital Sloan (SDSS)”. El SDSS es el explorador de luz del cosmos más grande, que ha catalogado casi 100 millones de galaxias hasta la fecha.

“Con nuestras simulaciones, podemos predecir lo que la siguiente generación de telescopios deberían ver cuando apunten a 13 mil millones de años en el pasado justo tras el Big Bang. Deberíamos ser capaces de contestar si estamos consiguiendo unas buenas simulaciones del universo y cómo evoluciona conforme retrocedemos en el tiempo”, dijo Di Matteo.

Las restricciones de cómputo actualmente obstaculizan el futuro trabajo, pero Di Matteo espera ejecutar sus simulaciones on computadoras más rápidas. También está trabajando con la miembros de Escuela de Ciencias de la Computación de Carnegie Mellon para desarrollar formas aún más rápidas de combinar la física de lo muy grande con lo muy pequeño en los mismos cálculos usando un conjunto de herramientas llamadas malla dinámica.

Para más información sobre la investigación de Di Matteo, visite http://web.phys.cmu.edu/~tiziana/. Para más información sobre las simulaciones, incluyendo gráficos, ver http://www.psc.edu/science/2006/blackhole/ y http://web.phys.cmu.edu/~tiziana/BHCosmo. Para más información sobre el PSC, ver http://www.psc.edu.

Esta investigación fue patrocinada en parte por la Fundación Nacional de Ciencia de los Estados Unidos.

Esta entrada fue escrita el Viernes, 13 de Julio de 2007 a las 12:37 pm y archivada en Astronomía. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.