Comprender el Universo y cómo ha evolucionado a lo largo de miles de millones de años es una tarea bastante desalentadora. Por un lado, implica mirar minuciosamente miles de millones de años luz en el espacio profundo (y, por lo tanto, miles de millones de años atrás) para ver cómo su estructura a gran escala cambió con el tiempo. Luego, se necesitan grandes cantidades de potencia informática para simular cómo debería ser (según la física conocida) y ver si coinciden.
Eso es lo que hizo un equipo de astrofísicos de la Universidad de Zúrich (UZH) utilizando la supercomputadora "Piz Daint". Con esta máquina sofisticada, simularon la formación de todo nuestro Universo y produjeron un catálogo de aproximadamente 25 mil millones de galaxias virtuales. Este catálogo se lanzará a bordo de la misión Euclid de la ESA en 2020, que pasará seis años investigando el Universo en aras de investigar la materia oscura.
El trabajo del equipo se detalló en un estudio que apareció recientemente en la revista. Astrofísica Computacional y Cosmología. Dirigido por Douglas Potter, el equipo pasó los últimos tres años desarrollando un código optimizado para describir (con una precisión sin precedentes) la dinámica de la materia oscura, así como la formación de estructuras a gran escala en el Universo.
El código, conocido como PKDGRAV3, fue diseñado específicamente para usar de manera óptima la memoria disponible y la potencia de procesamiento de las arquitecturas modernas de supercomputación. Después de ser ejecutado en la supercomputadora "Piz Daint", ubicada en el Centro Nacional de Computación de Suiza (CSCS), durante un período de solo 80 horas, logró generar un Universo virtual de dos billones de macropartículas, de las cuales un catálogo de 25 mil millones de galaxias virtuales fueron extraídas.
Intrínseco a sus cálculos fue la forma en que el fluido de materia oscura habría evolucionado bajo su propia gravedad, lo que llevaría a la formación de pequeñas concentraciones conocidas como "halos de materia oscura". Es dentro de estos halos, un componente teórico que se cree que se extiende mucho más allá de la extensión visible de una galaxia, que se cree que se han formado galaxias como la Vía Láctea.
Naturalmente, esto presentaba un gran desafío. Exigió no solo un cálculo preciso de cómo evoluciona la estructura de la materia oscura, sino que también requirió que consideraran cómo esto influiría en todas las otras partes del Universo. Como Joachim Stadel, profesor del Centro de Astrofísica Teórica y Cosmología de la UZH y coautor del artículo, dijo a Space Magazine por correo electrónico:
"Simulamos 2 billones de esas" piezas "de materia oscura, el cálculo más grande de este tipo que se haya realizado. Para hacer esto, tuvimos que usar una técnica de cómputo conocida como el "método multipolar rápido" y usar una de las computadoras más rápidas del mundo, "Piz Daint" en el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza, que entre otras cosas tiene unidades de procesamiento de gráficos muy rápidas. (GPU) que permiten una enorme aceleración de los cálculos de coma flotante necesarios en la simulación. La materia oscura se agrupa en “halos” de materia oscura que a su vez alberga las galaxias. Nuestro cálculo produce con precisión la distribución y las propiedades de la materia oscura, incluidos los halos, pero las galaxias, con todas sus propiedades, deben colocarse dentro de estos halos utilizando un modelo. Esta parte de la tarea fue realizada por nuestros colegas en Barcelona bajo la dirección de Pablo Fossalba y Francisco Castander. Estas galaxias tienen los colores esperados, la distribución espacial y las líneas de emisión (importantes para los espectros observados por Euclid) y pueden usarse para probar y calibrar diversos errores sistemáticos y aleatorios dentro de toda la tubería de instrumentos de Euclid ".
Gracias a la alta precisión de sus cálculos, el equipo pudo crear un catálogo que cumplía con los requisitos de la misión Euclides de la Agencia Espacial Europea, cuyo objetivo principal es explorar el "universo oscuro". Este tipo de investigación es esencial para comprender el Universo en la escala más grande, principalmente porque la gran mayoría del Universo es oscuro.
Entre el 23% del Universo que está compuesto de materia oscura y el 72% que consiste en energía oscura, solo una vigésima parte del Universo está compuesta de materia que podemos ver con instrumentos normales (también conocido como "luminoso" o materia bariónica). A pesar de ser propuesto durante las décadas de 1960 y 1990, respectivamente, la materia oscura y la energía oscura siguen siendo dos de los mayores misterios cosmológicos.
Dado que su existencia es necesaria para que nuestros modelos cosmológicos actuales funcionen, su existencia solo se ha inferido a través de la observación indirecta. Esto es precisamente lo que hará la misión Euclides en el transcurso de su misión de seis años, que consistirá en capturar la luz de miles de millones de galaxias y medirla para detectar distorsiones sutiles causadas por la presencia de masas en primer plano.
De la misma manera que la medición de la luz de fondo puede distorsionarse por la presencia de un campo gravitacional entre este y el observador (es decir, una prueba tradicional de Relatividad general), la presencia de materia oscura ejercerá una influencia gravitacional en la luz. Como explicó Stadel, su Universo simulado jugará un papel importante en esta misión Euclides, proporcionando un marco que se utilizará durante y después de la misión.
"Para pronosticar qué tan bien los componentes actuales podrán realizar una medición dada, se debe crear un Universo poblado de galaxias lo más cerca posible del Universo real observado", dijo. "Este catálogo de galaxias" simulacro "es lo que se generó a partir de la simulación y ahora se utilizará de esta manera. Sin embargo, en el futuro, cuando Euclides comience a tomar datos, también tendremos que usar simulaciones como esta para resolver el problema inverso. Entonces necesitaremos poder tomar el Universo observado y determinar los parámetros fundamentales de la cosmología; una conexión que actualmente solo se puede hacer con una precisión suficiente mediante simulaciones grandes como la que acabamos de realizar. Este es un segundo aspecto importante de cómo funciona esa simulación [y] es central para la misión Euclides ”.
A partir de los datos de Euclides, los investigadores esperan obtener nueva información sobre la naturaleza de la materia oscura, pero también descubrir una nueva física que vaya más allá del Modelo Estándar de física de partículas, es decir, una versión modificada de la relatividad general o un nuevo tipo de partícula. Como explicó Stadel, el mejor resultado para la misión sería uno en el que los resultados no conforme a las expectativas.
"Si bien sin duda hará que las mediciones más precisas de los parámetros cosmológicos fundamentales (como la cantidad de materia oscura y energía en el Universo) sean mucho más emocionantes sería medir algo que entra en conflicto o, al menos, está en tensión con el modelo actual 'estándar lambda de materia oscura fría' (LCDM) ”, dijo. "Una de las preguntas más importantes es si la llamada" energía oscura "de este modelo es en realidad una forma de energía, o si se describe más correctamente mediante una modificación de la teoría general de la relatividad de Einstein. Si bien podemos comenzar a rascar la superficie de tales preguntas, son muy importantes y tienen el potencial de cambiar la física a un nivel muy fundamental ".
En el futuro, Stadel y sus colegas esperan ejecutar simulaciones sobre la evolución cósmica que tengan en cuenta tanto la materia oscura y energía oscura. Algún día, estos aspectos exóticos de la naturaleza podrían formar los pilares de una nueva cosmología, una que va más allá de la física del Modelo Estándar. Mientras tanto, los astrofísicos de todo el mundo probablemente estarán esperando el primer lote de resultados de la misión Euclides con aliento cebado.
Euclides es una de varias misiones que actualmente se dedican a la búsqueda de materia oscura y al estudio de cómo dio forma a nuestro Universo. Otros incluyen el experimento del Espectrómetro Alfa Magnético (AMS-02) a bordo de la EEI, la Encuesta de Kilo de ESO (KiDS) y el Gran Colisionador de Hardon del CERN. Con suerte, estos experimentos revelarán piezas del rompecabezas cosmológico que han permanecido esquivas durante décadas.
