Crean la mayor simulación por ordenador de la historia del universo

Después de más de 20 años intentando comprender cómo se formó el universo, los astrónomos han creado la mayor y más compleja simulación por ordenador, conseguida después de 50 millones de horas de computación, que sigue la evolución de todos los componentes del universo desde el Big Bang hasta nuestros días.

Un equipo internacional de astrónomos ha realizado la mayor y más compleja simulación por ordenador de la historia del cosmos, conocida como FLAMINGO (Full-hydro Large-scale structure simulations with All-sky Mapping for the Interpretation of Next Generation Observations). Los resultados se han publicado en tres artículos en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Para entender bien el alcance de este desarrollo, la revista SkyTelescope explica que poco después del Big Bang se desencadenó un proceso todavía poco conocido: el universo se llenó de una sopa casi homogénea de átomos (principalmente hidrógeno y helio), partículas de materia oscura y neutrinos casi sin masa.

Y que, aunque la densidad media de la materia disminuyó con el tiempo a medida que el espacio se expandió, la materia oscura comenzó a agruparse bajo su propia gravedad. Los átomos siguieron su ejemplo, y finalmente dieron como resultado lo que observamos hoy: una “red cósmica” de cúmulos y supercúmulos de galaxias, en las que cada galaxia contiene miles de millones de nebulosas, estrellas y planetas.

Los astrónomos llevan más de 20 años intentando reproducir este proceso mediante simulaciones por ordenador, que se han vuelto cada vez más sofisticadas, tanto en tamaño (cuánto espacio se simula) como en resolución (cuántas partículas o “elementos” se siguen).

Punto de inflexión

FLAMINGO supone un punto de inflexión en esta trayectoria porque es el proyecto de simulación más grande y complejo desarrollado hasta el momento.

Las simulaciones FLAMINGO siguen la evolución de todos los componentes del universo - materia ordinaria, materia oscura y energía oscura - según las leyes de la física.

A medida que avanza la simulación, emergen galaxias virtuales y cúmulos de galaxias, alimentados por la llamada red cósmica, que es la mayor estructura del universo, formada por filamentos de materia normal y materia oscura.

Las simulaciones FLAMINGO son las más grandes y detalladas realizadas hasta la fecha. Simulan un volumen de espacio en expansión - un cubo con lados de 10 mil millones de años luz - y siguen el movimiento gravitatorio de 300 mil millones de partículas, cada una con una masa equivalente a una galaxia enana.

Las simulaciones requirieron más de 50 millones de horas de tiempo de computación, distribuidas entre los 30.000 procesadores que componen el superordenador DiRAC-COSMA8 en la Universidad de Durham en el Reino Unido.

Tensión S8

Las simulaciones FLAMINGO no solo tienen fines estéticos, sino que también son herramientas importantes para ayudar a resolver un gran dilema en cosmología: la tensión S8.

Este término se refiere a la discrepancia entre las observaciones actuales sobre cómo está distribuida la materia en el universo actual.

Por un lado, se puede predecir el valor del parámetro S8, que caracteriza cuán agrupada está toda la materia en nuestro universo, usando el modelo estándar de cosmología basado en las propiedades del fondo cósmico de microondas (CMB), que es el resplandor residual del Big Bang.

Por otro lado, se puede medir el valor del parámetro S8 con observaciones a bajo corrimiento al rojo, como las encuestas de lente gravitacional débil, que revelan cómo la gravedad de las galaxias curva la luz. Resulta que estos dos métodos no coinciden, y los cosmólogos no saben por qué.

Posibles sesgos

Las simulaciones por ordenador pueden ayudar a revelar la causa de esta tensión porque pueden informar a los científicos sobre posibles sesgos (errores sistemáticos) en las mediciones.

Si ninguno de estos resulta suficiente para explicar la tensión, el modelo estándar de cosmología podría estar en serios problemas.

Hasta ahora, las simulaciones por ordenador utilizadas para comparar con las observaciones solo seguían la materia oscura fría.

Aunque la materia oscura domina la gravedad, ya no se puede despreciar la contribución de la materia ordinaria, explican los investigadores, ya que esa contribución podría ser similar a las desviaciones entre los modelos y las observaciones.

Evolución del cúmulo de galaxias más masivo en la simulación de alta resolución. © Yannick Bahé, equipo FLAMINGO y Consorcio Virgo.

Nueva ventana al universo

Además, la gran cantidad de datos (virtuales) crea oportunidades para realizar nuevos descubrimientos teóricos y probar nuevas técnicas de análisis de datos, incluido el aprendizaje automático.

Utilizando el aprendizaje automático, los astrónomos pueden hacer predicciones para universos virtuales aleatorios.

Al compararlos con observaciones de estructuras a gran escala, pueden medir los valores de los parámetros cosmológicos. Además, pueden medir las incertidumbres correspondientes comparándolas con observaciones que limitan el efecto de los vientos galácticos.

Todo ello puede terminar concluyendo que algo anda mal con nuestro preciado modelo estándar de cosmología, señalan los investigadores.

Referencias

 The FLAMINGO project: cosmological hydrodynamical simulations for large-scale structure and galaxy cluster surveys. J. Schaye et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.

FLAMINGO: Calibrating large cosmological hydrodynamical simulations with machine learning. R. Kugel et al, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.

The FLAMINGO project: revisiting the S8 tension and the role of baryonic physics. I. McCarthy et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.