El modelo cosmológico ΛCDM reproduce el universo visible en un supercomputador

Por Francisco R. Villatoro, el 8 mayo, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Science ✎ 10

Dibujo20140508 The multi-scale nature of galaxy formation - virtual universe - nature

Sólo existe un universo. Para realizar experimentos sobre la posible evolución del contenido del universo la única opción es usar simulaciones por ordenador. Gracias a supercomputadores se puede seguir la evolución de la materia primordial tras la recombinación (formación de los primeros átomos). Se publica en Nature la simulación más detallada, que tras 16 millones de horas de CPU, incluye la formación de las primeras estrellas, la explosión de las primeras supernovas, la formación de los primeros agujeros negros supermasivos y de las primeras galaxias.

Todo el universo visible, incluyendo la formación del «polvo de estrellas» del que estamos hechos según Carl Sagan, se explica muy bien gracias al modelo cosmológico de consenso ΛCDM, que tiene sólo seis parámetros libres. Parece demasiado bonito para ser cierto. Nos lo cuenta Michael Boylan-Kolchin, «Cosmology: A virtual Universe,» Nature 509: 170-171, 08 May 2014. El artículo técnico es M. Vogelsberger et al., «Properties of galaxies reproduced by a hydrodynamic simulation,» Nature 509: 177-182, 08 May 2014. Recomiendo también el editorial «A cosmic history,» Nature 509: 134, 08 May 2014.

En español puedes leer «La última película de la historia del universo,» Agencia SINC, 07 May 2014; Teresa Guerrero, «Así evolucionó el Universo durante 13.000 millones de años,» El Mundo, 07 May 2014; J. de Jorge, «El Universo, del Big Bang a hoy, como nunca lo habías visto,» ABC Ciencia, 07 May 2014.

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Si la montaña no viene a Mahoma, Mahoma irá a la montaña. El gran triunfo de la cosmología moderna, un modelo cosmológico de consenso con sólo seis parámetros libres, permite explicar todo lo observado en la radiación cósmica de fondo (hasta ahora). ¿Permite explicar también la evolución posterior del universo? ¿Desde la formación de las primeras estrellas hasta la formación de las primeras galaxias?  Mark Vogelsberger (MIT, Cambridge, Massachusetts, EEUU) y sus colegas han desarrollado una simulación numérica multiescala de la formación de las primeras estructuras cósmicas que concluye que así es (por ello se publica en Nature). 

Una simulación de interés cosmológico requiere estudiar un volumen con un diámetro de unos cien millones de parsecs (unos 326 millones de años luz). Sin embargo, para estudiar la formación de una estrella hay que utilizar una escala de un parsec y la acreción de materia en los horizontes de sucesos de los agujeros negros supermasivos requieren escalas aún más pequeñas. Por tanto, una simulación que tenga en cuenta ambos fenómenos tiene que ser multiescala. Vogelsberger y sus colegas han usado un modelo hidrodinámico multiescala (Volker Springel, «E pur si muove: Galilean-invariant cosmological hydrodynamical simulations on a moving mesh,» MNRAS 401: 791-851, 2010)

¡¡La simulación por ordenador reproduce las propiedades observadas de las galaxias!! Quizás al lector no le parezca sorprendente, pero para los que trabajamos en física computacional nos resulta muy sorprendente. La simulación que se inicia cuando el universo tenía 12 millones de años tras el big bang y que evoluciona durante 13.000 millones de años reproduce fielmente la distribución observada de galaxias elípticas y espirales en el universo, incluyendo los cúmulos galácticos y la distribución del hidrógeno a gran escala. Más aún, también coincide la metalicidad predicha para las galaxias. Casi parece que tiene que haber trampa. 

La nueva simulación, llamada Illustris, se basa en el modelo cosmológico ΛCDM (materia oscura fría más energía oscura) y muestra que este modelo, de extrema simplicidad, permite entender la evolución del universo visible, desde los pequeños detalles de las galaxias hasta las grandes estructuras a escala cósmica. Muchos tendrán dudas.

Problemas graves del modelo ΛCDM, como el problema de las galaxias satélite perdidas, obtienen una solución sencilla en la simulación Illustris. Los resultados son demasiado bonitos para ser ciertos. Habrá que esperar unos años hasta que esta simulación se repita por grupos independientes y se aclare si de verdad toda la belleza del universo visible se describe con sólo los seis parámetros del modelo cosmológico ΛCDM.



10 Comentarios

  1. ¡Que interesante! He intentado buscar cuales son los 6 parámetros libres y he creído entender de la Wikipedia en inglés que son:
    -La densidad de bariones
    -La densidad de materia oscura
    -La densidad de energía oscura
    -El índice espectral escalar
    -La amplitud de la fluctuación de la curvatura
    -La profundidad óptica de la reionización
    Creo saber lo que significan los 3 primeros pero no los 3 últimos, seguiré buscando aunque se acepta ayuda.

  2. Antonio (AKA “Un físico”), muchas gracias por tu respuesta y perdóname por no haberme explicado bien, pues pese a tu ardua lectura de mi comentario, mi probable mala redacción ha debido impedir que entendieses bien a lo que me refería.
    No estaba interesado en los valores asignados a los 6 parámetros en esta simulación, sino al significado físico de cada uno de ellos.
    Los 3 últimos, “El índice espectral escalar”, “La amplitud de la fluctuación de la curvatura” y “La profundidad óptica de la reionización” no sé lo que significan. Esta noche, cuando tenga tiempo, me dedicaré a visitar webs para enterarme. Así voy, dando bandazos e intentando aprender de aquí y de allí en mis ratos libres.

  3. Hay un detalle importante. Se llevan haciendo simulaciones usando ΛCDM (con los 6 parámetros mencionados) que simulan bastante bien la estructura a gran escala del Universo desde hace tiempo. El problema se encuentra a la hora de reproducir las características físicas de las galaxias que pueblan los halos de materia oscura. Normalmente salen más elípticas de las que deben, las galaxias masivas tienen más masa bariónica de la que realmente tienen y salen más galaxias de baja masa de las que realmente hay… por nombrar algunos de los problemas más comunes. Para simular esta parte se meten «recetas» para la formación y evolución de las galaxias y el demonio está en los detalles. Esta nueva simulación, además de un modelo hidrodinámico muy bueno y avanzado, ha usado unas recetas —muy complejas— que consiguen que se reproduzcan relativamente bien las propiedades de las galaxias reales.
    Así que sí, 6 parámetros cosmológicos, pero también modelos de formación y evolución de galaxias muy complejos (ver el «methods summary» del artículo original). Un avance muy interesante pero lejos de ser trivial.

  4. Hay algo que me intriga. ¿Por qué han realizado la simulación a partir de los 12 millones de años?¿No hubiera sido mejor iniciarla a partir de los 380.000 años, al término de la reionización? Me pregunto si los 12 M.A. es una edad escogida al azar o lo es por alguna causa técnica concreta. Hacerlo a partir de los 12 MA presupone introducir en la simulación unos parámetros iniciales del estado del Universo en ese momento. ¿Y por qué no introducir los parámetros de estado correspondientes a 380.000 años (CMB) y ver qué pasa?

    SalU2

    1. Gracias por tu ayuda Antonio. Sigo confuso, perdona. No estoy seguro de haber comprendido. Si eres tan amable y tienes un minuto, te agradecería que me lo aclares un poco más.

      Suponía que en la simulación se habría tenido en cuenta los efectos gravitatorios de la materia oscura sobre la materia bariónica a partir de los 12 ma. Por ello no entiendo por qué no es posible calcular la evolución desde 380ka hasta los 12 ma.

      Se supone que la (hipotética) materia oscura interacciona únicamente de forma gravitatoria. Conocemos el grado de interacción mediante medidas de algunos fenómenos (influencia gravitatoria de un supuesto halo de m.o. en la rotación de una galaxia). No conozco ninguna otra forma en que la m.o. interactúe con la materia común. Por eso no comprendo cuando dices «se debe conocer cómo la materia oscura agrega la materia bariónica normal hasta cuando el universo tenía una edad de unos 10 Ma.» Y digo yo, ¿la respuesta no sería: gravitatoriamente? Y siendo la interacción de la m.o. exactamente igual antes que después de los 12 ma, ¿por qué no podemos retrotraer la emulación hasta los 380 ka? No sé si queda explicada mi duda.

      Si la única influencia posible de la m.o. en la materia bariónica es gravitatoria, tomemos las tenues estructuras del CMB, apliquemos todos los parámetros de la simulación, incluyendo los mismos parámetros de m.o. empleados en la simulación de 12 ma en adelante, y dejemos correr la simulación. Deberíamos observar en la simulación la condensación gravitatoria de hidrógeno para formar las primeras estrellas y las primeras protoestructuras a gran escala del Universo en esos primeros millones de años.

      ¿Qué he pasado por alto para que la simulación no pueda hacer esto antes de los 12 ma?

      1. Gracias Antonio. Ahora si. Sin saber qué es exactamente la m.o. es difícil explicar la formación de estructuras en ese período de tiempo. SalU2.

  5. Hoy he encontrado esta noticia relacionada, se trata de otra simulación cosmológica, aunque más modesta, la resumo:
    «El IAC simula la formación y evolución de un cúmulo de galaxias con el supercomputador Teide-HPC.
    El Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha realizado un vídeo de 4 minutos (disponible en sus canales de vídeo de YouTube, Vimeo y Dailymotion) en el que se simula la formación y evolución de un cúmulo de galaxias.
    Esta animación cubre un intervalo temporal de 13.000 millones de años, casi la edad del Universo.
    La simulación traza la evolución de un solo cúmulo galáctico, una superestructura cósmica consistente en la agrupación de galaxias que se mantienen cohesionadas por la fuerza de la gravedad. En la animación se puede apreciar cómo, a estas escalas, la materia ordinaria del Universo se agrupa en filamentos interconectados sobre enormes vacíos cósmicos, al igual que la estructura de una esponja, como consecuencia del movimiento del gas intergaláctico, la atracción gravitatoria entre galaxias y la interacción con la materia oscura.
    También muestra la distribución de los halos, estructuras resultantes del cruce entre varios filamentos en las que se forman y evolucionan las galaxias. En la animación, estos halos son atraídos por el cúmulo hacia su centro hasta formar el embrión de un supercúmulo de más de mil billones de masas solares.
    La intensidad del brillo muestra las distintas densidades del gas cósmico. La temperatura se representa a través del color, siendo el rojo la temperatura más elevada, unos 10 millones de grados.
    El cubo utilizado tiene una longitud de 1.600 millones de años luz en cada lado y cubre un intervalo temporal de 13.000 millones de años, casi la edad del Universo. El volumen incluye 20.000 cúmulos galácticos y se ha estimado la distribución de masa y la cantidad de materia presentes en los halos que los rodean, donde se forman las galaxias.
    “El espacio simulado –explica Claudio Dalla Vecchia, investigador del IAC y autor de la simulación- se apoya en el modelo estándar de la Cosmología. Entre las variables incluidas en los cálculos llevados a cabo en el test se encuentra la atracción gravitatoria y el movimiento hidrodinámico del gas cósmico, así como la expansión del Universo. Incluye tanto la evolución y distribución de la materia ordinaria como de la abundante y enigmática materia oscura»
    https://www.youtube.com/watch?v=InJOTkEzQtg

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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 8 mayo, 2014
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