La simulación Bolshoi desvela los misterios del cosmos

La simulación cosmológica computacional Bolshoi, la más exacta, detallada y extensa de las realizadas hasta ahora, será para físicos y astrónomos una potente herramienta de análisis de los misterios del universo que aún no han sido resueltos, como la formación de las galaxias, la materia oscura o la energía oscura.

Estudios iniciales realizados con dicha simulación, cuyos resultados ya están disponibles para el público, han demostrado un alto grado de coincidencia entre sus predicciones y las observaciones astronómicas, lo que convierte a Bolshoi en una potencial fuente de datos, y tal vez de respuestas a dichos misterios.

La simulación Bolshoi ha trazado ya la evolución de la estructura a gran escala del universo, incluyendo el desarrollo y la distribución de los halos de materia oscura en los que las galaxias se unieron y crecieron. Gracias a ella, han sido posibles visualizaciones espectaculares de cómo fue el universo en 180 momentos distintos después del Big Bang y hasta el presente, según publica la Universidad de California.

Herramienta de gran precisión

Uno de los desarrolladores de la simulación, el profesor de física de la Universidad de California en Santa Cruz (UCSC), Estados Unidos, Joel Primack, ha afirmado en un comunicado de dicha Universidad que “en un sentido, podría pensarse que los resultados iniciales de esta simulación son un poco aburridos, porque básicamente muestran que nuestro modelo cosmológico estándar funciona. Pero lo que resulta emocionante es que ahora tenemos una herramienta de gran precisión, que proporcionará la base para muchos de los estudios importantes que se harán en los meses y años venideros”.

Primack y Anatoly Klypin, profesor de astronomía de la New Mexico State University (NMSU), han dirigido el equipo que realizó la simulación Bolshoi. Concretamente, Klypin ha sido el desarrollador del código computacional para la simulación, que funciona en el superordenador Pleiades del Ames Research Center de la NASA.

“Estas simulaciones cosmológicas gigantescas son esenciales para la interpretación de los resultados de observaciones astronómicas en proceso, y para la planificación de nuevos análisis del universo, que se espera ayuden a determinar la naturaleza de la misteriosa energía oscura”, explica Klypin.

Por su parte, Primack, que dirige el University of California High-Performance Astrocomputing Center (UC-HIPACC), añade que los datos iniciales de la simulación comenzaron a ser arrojados a principios del pasado mes de septiembre. Desde entonces “hemos obtenido muchos datos que otros astrofísicos pueden empezar a utilizar. Hasta ahora estos datos son de menos del 1% de la producción real, debido a la enorme extensión de ésta, pero habrá nuevos datos adicionales en el futuro”.

Parámetros empleados

El estándar previo de simulaciones cosmológicas a gran escala, la simulación Millenium, ha sido la base de unos 400 informes astronómicos desde 2005. Pero ahora se sabe que los parámetros fundamentales utilizados para Milleinum eran inexactos.

Elaborada por el Consorcio Virgo, formado mayormente por científicos europeos, la simulación Millenium aplicó parámetros cosmológicos basados en el primer conjunto de datos de la misión exploratoria de la NASA, lanzada en 2001, la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). WMAP suministró un mapa detallado de las variaciones sutiles de la radiación cósmica de fondo de microondas, que es la radiación primordial producida tras el Big Bang.

Pero los parámetros iniciales de la WMAP1 han sido invalidados por datos posteriores, obtenidos por la WMAP5 (lanzados en 2008) y por la WMAP7 (cuyos datos fueron arrojados en 2010).

La simulación Bolshoi está basada en los parámetros de la WMAP5, acordes con los resultados posteriores, de la WMAP7. “Ahora se sabe que los parámetros cosmológicos de la WMAP1, en los que se basó la simulación Millenium, son erróneos”, explica Primack. “Además, los avances en tecnología de superordenadores nos han permitido hacer una simulación mucho mejor, con una mayor resolución. Así que espero que la simulación Bolshoi tenga un gran impacto en este campo”.

Base teórica de la simulación

La explicación estándar sobre cómo evolucionó el universo después del Big Bang es conocida como Modelo Lambda-CDM (CDM es por Cold Dark Matter o materia oscura fría), y ha sido la base teórica de la simulación Bolshoi.

Según este modelo, la gravedad actuó inicialmente en fluctuaciones de densidad leve presentes poco después del Big Bang para reunir las primeras masas de materia oscura. Éstas crecieron dando lugar a masas cada vez mayores. Aunque la naturaleza de la materia oscura aún es un misterio, se cree que compone el 82% de la materia del universo.

Por tanto, la evolución de la estructura del universo habría sido impulsada por las interacciones gravitacionales de materia oscura. La materia ordinaria que forma estrellas y planetas habría caído en los “pozos gravitacionales” generados por estas masas de materia oscura, lo que dio lugar a las galaxias en los centros de los halos de dicha materia.

Uno de los principales propósitos de la simulación Bolshoi es calcular y modelar la evolución de estos halos.

Las características de halos y subhalos de materia oscura reflejadas por la simulación Bolshoi han sido presentadas en un artículo ya aceptado para su publicación en el medio especializado Astrophysical Journal. Los autores de este informe han sido Klypin, Sebastián Trujillo Gómez, estudiante graduado de la NMSU, y Primack.

En otro artículo, también aceptado para su publicación en ese mismo medio, se analiza la luminosidad de las galaxias, su masa y su velocidad de distribución a partir de los datos disponibles y de los resultados sobre materia oscura obtenidos por la simulación Bolshoi.

Los autores en este caso fueron Klypin, Trujillo-Gomez, Primack, y el investigador de la UCSC, Aaron Romanowsky. Las comparaciones entre las predicciones Bolshoi y las observaciones galácticas del proyecto de inspección del espacio Sloan Digital Sky Survey (SDSS), han demostrado tener un alto grado de coincidencia, señala Primack.

Dos variantes

La simulación Bolshoi se centró en una sección representativa del universo, cuyo análisis fue completado por los cálculos realizados por el superordenador Pleiades, que ha sido catalogado como el séptimo superordenador más rápido del mundo.

Una variante de la simulación Bolshoi, conocida como BigBolshoi o MultiDark, ha sido puesta en funcionamiento en el mismo superordenador. BigBolhoi ha permitido predecir las propiedades y la distribución de las agrupaciones galácticas y otras estructuras gigantes del universo, ya ha servido de apoyo a proyectos de investigación de la energía oscura, como el proyecto Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS).

Otra variante de la simulación Bolshoi, denominada MiniBolshoi, está en marcha actualmente, también en el superordenador Pleiades. Centrada en una pequeña porción del universo proporcionará una resolución incluso mayor que Bolshoi.

La simulación Bolshoi y sus dos variantes estarán públicamente disponibles para los astrofísicos de todo el mundo a través de la Base de datos MultiDark, que está albergada por el Instituto de Astrofísica Potsdam de Alemania, y es sostenida por ayudas de España y Alemania.