Universos sintéticos: Cómo ayudarán las simulaciones en la búsqueda de energía oscura

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Artículo publicado por Rob Mitchum el 1 de octubre de 2012 en la Universidad de Chicago

El Dark Energy Survey (DES) es uno de los experimentos astrofísicos más ambiciosos jamás iniciados. Durante cinco años, una cámara especialmente diseñada a bordo de un telescopio de Chile recopilará imágenes de galaxias lejanas en el cielo austral cubriendo un área de 5000 grados cuadrados, lo que corresponde, aproximadamente, a 1/8 del universo visible. Este proyecto generará petabytes (miles de terabytes) de datos que deben ser laboriosamente analizados por la colaboración de científicos de 27 instituciones para encontrar respuestas sobre la naturaleza de la energía oscura, la materia oscura y las fuerzas que dan forma a la evolución del universo.

Mancha solar simulada por computador © by thebadastronomer


Pero los datos recopilados por la cámara solo son una pequeña parte del trabajo previsto para el equipo de DES. Como parte del Grupo de Trabajo en Simulaciones DES (Simulation Working Group), Andrey Kravtsov y Matthew Becker de la Universidad de Chicago (en colaboración con investigadores de la Universidad de Stanford y la Universidad de Michigan) están construyendo y ejecutando complejas simulaciones por ordenador que modelan la evolución de la distribución de materia en el universo. Cuando finalice el proyecto, estas simulaciones pueden incrementar las demandas de análisis de datos del estudio hasta en cien veces más. ¿Por qué se necesita una inversión tan grande de tiempo y trabajo en las simulaciones? Por precisión, dice Kravtsov.

“Básicamente, para lograr los objetivos científicos del estudio e interpretar los resultados, se necesitan simulaciones por ordenador que te digan cómo interpretar los datos”, dice Kravtsov, miembro del Instituto de Computación y profesor de física y astronomía. “Este tipo de procedimiento es bastante común en los experimentos de física de partículas, pero creo que no se ha hecho nunca en experimentos astrofísicos. Pero tiene que hacerse con un experimento a esta escala”.

La materia oscura y la energía oscura nunca se han observado directamente, y aun así los astrónomos estiman que ambos elementos forman hasta el 96 por ciento de la materia y energía del universo. La existencia de la energía oscura se propuso para explicar el famoso descubrimiento de 1998 de la expansión acelerada del universo – una gran sorpresa para los astrofísicos, dado que la teoría general de la relatividad de Einstein predice que la expansión universal debería estar frenando debido al tirón gravitatorio de la masa del universo. En los modelos actuales, la energía oscura actúa de manera efectiva como fuerza antigravitatoria que supera el efecto de la gravedad, dirigiendo la expansión acelerada observada.

Dado que los telescopios no pueden observar directamente la materia oscura o medir la energía oscura, los astrofísicos deben confiar en las medidas indirectas, que son bastante complejas. Aquí aparece el Dark Energy Survey, que tuvo su “primera luz” a principios de mes y usará imágenes de alta calidad del cielo tomadas por la Cámara de Energía Oscura (DECam) de 570 megapíxeles, diseñada por el Fermilab, para estudiar la energía oscura usando cuatro métodos distintos.

En cierto modo, la recolección de datos es solo el principio. Es cómo se analiza e interpreta ese conjunto de datos lo que realmente cambiará lo que sabemos de los parámetros fundamentales y forma del universo. Por lo que para asegurar que los métodos de análisis de los datos son precisos, el grupo de trabajo de simulaciones trabajará con la colaboración para ponerlas a prueba a través de una serie de Desafíos Ciegos de la Cosmología.

“Lo que queremos hacer es dar a la gente que analizará los datos reales un conjunto sintético de datos basados en las simulaciones”, dice Kravstov. “Les daremos datos observacionales sintéticos que se generan en base a un universo sintético hipotético con parámetros que ya conocemos, pero que ellos no conocen. Todo lo que ven es la distribución de galaxias en el cielo y el espacio, como se observarían en el estudio real”.

Piensa en el juego de mesa Cluedo, donde la verdad (el asesino, el arma, y la escena del crimen) están guardados en un sobre desde el inicio del juego. Los jugadores emplean entonces preguntas y la lógica para reducir las posibilidades y buscar la respuesta correcta. En los desafíos ciegos de la cosmología, los científicos de DES no sabrán los parámetros que pasan a la creación de los datos sintéticos que están analizando, y usarán sus herramientas y algoritmos para intentar calcular cuáles son.

“La idea es que apliquen sus técnicas de análisis y vean si pueden recuperar los verdaderos parámetros”, continúa Kravstov. “Si lo logran, significa que las técnicas que usarán sobre los datos reales son robustas y fiables. Si no es así, tendrán que volver a la pizarra y ver dónde está el problema, y repetir el proceso”.

No es necesario decir que simular la evolución de la materia en el universo es un poco más complicado que barajar unas cartas del Cluedo. Cada simulación empieza con un universo 100 millones de años tras el Big Bang, luego sigue el movimiento de miles de millones de partículas a lo largo de miles de millones de años, formando estructuras a gran escala similares a la red cósmica observada en el universo real. Se requiere código adicional para modelar cómo ve un observador el cielo sintético desde una posición concreta dentro del universo, simulando cómo los fotones emitidos por una estrella lejana rebotan por el universo desviados por las concentraciones de masa dentro de las estructuras a gran escala. Los aspectos técnicos y sesgos potenciales del propio DECam también deben simularse, por lo que las “imágenes” recopiladas dentro del universo sintético son tan similares a las reales como pueda ser posible.

Para las simulaciones,  Becker, estudiante graduado en el Departamento de Física, implementó un algoritmo para simular una distorsión particularmente útil, conocida como lente gravitatoria débil. Cuando la luz viaja desde galaxias lejanas hasta el telescopio en la Tierra, su camino se ve curvado por la gravedad cuando pasa cerca de grandes concentraciones de masa en la red cósmica, por lo que la imagen recibida por el telescopio puede estirarse o aumentarse sutilmente. El Dark Energy Survey usará este efecto de lente en los datos reales para detectar la presencia de cúmulos de materia oscura que no pueden observarse directamente, por lo que el efecto también tenía que aparecer en los datos sintéticos.

“Las lentes gravitatorias débiles son realmente importantes para DES y cualquier estudio similar”, dice Becker, “debido a su sensibilidad respecto a la distribución de masa real, que transporta una gran cantidad de información sobre cómo creció la estructura a gran escala del universo en el pasado”.

Aunque la nueva cámara de Chile aún está en periodo de ajuste antes de empezar a recopilar datos para el estudio, el equipo de simulación ya ha completado varias simulaciones de su universo sintético – cada una con unos requisitos de cientos de miles de horas de cómputo y que generan decenas de terabytes de datos. Conforme avancen los desafíos ciegos de cosmología y se añadan datos reales, Kravtsov espera que se requieran un centenar de universos sintéticos simulados para ajustar en detalle de manera óptima los métodos de análisis hasta que pueda obtenerse una nueva y precisa visión sobre la historia del universo.

“En último término, las simulaciones se usarán principalmente para poner a prueba los métodos empleados para analizar los datos del estudio”, dice Kravtsov. “Es parte de la metodología que te permite deducir la ciencia a partir del estudio, pero es la parte técnica. Finalmente estamos interesados en obtener los resultados científicos”.


Autor: Rob Mitchum
Fecha Original: 1 de octubre de 2012
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