Los astrónomos realizan la mayor simulación cósmica por ordenador jamás realizada

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La imagen de fondo muestra la distribución actual de la materia en un corte de la simulación más grande de FLAMINGO, que tiene un volumen cúbico de 2,8 Gpc (9,1 mil millones de años luz) en el lateral. El brillo de la imagen de fondo indica la distribución actual de la materia oscura, mientras que el color simboliza la distribución de los neutrinos. Los recuadros muestran tres primeros planos sucesivos centrados alrededor del cúmulo de galaxias más grande; En orden, muestran la temperatura del gas, la densidad de la materia oscura y una observación hipotética de rayos X (de Schaye et al. 2023). Crédito: Josh Burrow, Flamengo y Virgin League. Licencia CC-BY-4.0

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La imagen de fondo muestra la distribución actual de la materia en un corte de la simulación más grande de FLAMINGO, que tiene un volumen cúbico de 2,8 Gpc (9,1 mil millones de años luz) en el lateral. El brillo de la imagen de fondo indica la distribución actual de la materia oscura, mientras que el color simboliza la distribución de los neutrinos. Los recuadros muestran tres primeros planos sucesivos centrados alrededor del cúmulo de galaxias más grande; En orden, muestran la temperatura del gas, la densidad de la materia oscura y una observación hipotética de rayos X (de Schaye et al. 2023). Crédito: Josh Burrow, Flamengo y Virgin League. Licencia CC-BY-4.0

Un equipo internacional de astrónomos ha llevado a cabo lo que se cree que es la simulación cosmológica por computadora más grande jamás realizada, rastreando no solo la materia oscura, sino también la materia regular (como planetas, estrellas y galaxias), dándonos una idea de cómo evolucionó el universo.

Las simulaciones de Flamingo calculan la evolución de todos los componentes del universo (materia ordinaria, materia oscura y energía oscura) de acuerdo con las leyes de la física. A medida que avanza la simulación, aparecen galaxias virtuales y cúmulos de galaxias. tres Hojas Ha sido publicado en Avisos mensuales de la Royal Astronomical SocietyUno describe los métodos, otro presenta las simulaciones y el tercero examina qué tan bien las simulaciones reproducen la estructura a gran escala del universo.

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Instalaciones como el Telescopio Espacial Euclid de la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzado recientemente y el JWST de la NASA están recopilando enormes cantidades de datos sobre galaxias, cuásares y estrellas. Simulaciones como FLAMINGO desempeñan un papel clave en la interpretación científica de los datos al vincular las predicciones de las teorías del universo con los datos observados.

Según la teoría, las propiedades de todo nuestro universo están determinadas por unos pocos números llamados “parámetros cosmológicos” (seis de ellos en la versión más simple de la teoría). Los valores de estos parámetros se pueden medir con mucha precisión de diferentes formas.

Uno de esos métodos se basa en las propiedades del fondo cósmico de microondas (CMB), un tenue resplandor de fondo que quedó del universo primitivo. Sin embargo, estos valores no coinciden con los medidos por otras técnicas que se basan en la forma en que la fuerza gravitacional de las galaxias desvía la luz (lente). Estas «tensiones» podrían señalar la desaparición del modelo estándar de cosmología, el modelo de materia oscura fría.

Las simulaciones por computadora pueden revelar la causa de estas tensiones porque pueden informar a los científicos sobre posibles sesgos (errores sistemáticos) en las mediciones. Si ninguna de estas razones es suficiente para explicar las tensiones, la teoría está en verdaderos problemas.

Hasta ahora, las simulaciones por computadora utilizadas para comparar con las observaciones solo rastrean la materia oscura fría. «Aunque la materia oscura domina la gravedad, no se puede seguir ignorando la contribución de la materia ordinaria, porque esa contribución puede ser similar a las desviaciones entre modelos y observaciones», afirma el líder de la investigación Job Schaie (Universidad de Leiden).

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Los primeros resultados muestran que se necesitan tanto neutrinos como materia ordinaria para hacer predicciones precisas, pero no eliminan las tensiones entre diferentes observaciones cosmológicas.

Las simulaciones que también rastrean materia bariónica ordinaria (también conocida como materia bariónica) son más difíciles y requieren mucha más potencia informática. Esto se debe a que la materia ordinaria, que constituye sólo el dieciséis por ciento de toda la materia del universo, no sólo siente la gravedad sino también la presión del gas, lo que puede hacer que la materia sea expulsada de las galaxias por agujeros negros activos y supernovas en el espacio intergaláctico.

La fuerza de estos vientos intergalácticos depende de las explosiones que se producen en el medio interestelar y son muy difíciles de predecir. Además, también es importante la contribución de los neutrinos, partículas subatómicas con una masa muy pequeña pero no conocida con precisión, pero cuyo movimiento aún no ha sido simulado.

Los astrónomos han completado una serie de simulaciones por computadora para rastrear la composición de la estructura de la materia oscura, la materia ordinaria y los neutrinos. Doctor. «El efecto del viento galáctico se calibró mediante aprendizaje automático, comparando predicciones de muchas simulaciones diferentes de escala relativamente pequeña con masas de galaxias observadas y distribución de gas en cúmulos de galaxias», explica el estudiante Roy Coghill (Universidad de Leiden).

Los investigadores simularon el modelo que mejor describe las observaciones de calibración utilizando una supercomputadora a diferentes tamaños cósmicos y con diferentes resoluciones. Además, variaron los parámetros del modelo, incluida la fuerza del viento galáctico, la masa de los neutrinos y parámetros cosmológicos en simulaciones de volúmenes ligeramente más pequeños pero aún grandes.

La simulación más grande utiliza 300 mil millones de elementos de resolución (partículas con la masa de una galaxia pequeña) en un volumen cúbico cuyos bordes están a diez mil millones de años luz de distancia. Se cree que esta es la simulación cosmológica por computadora más grande jamás realizada de materia ordinaria. «Para hacer posible esta simulación, desarrollamos un nuevo código, SWIFT, que distribuye eficientemente el trabajo computacional entre más de 30.000 CPU», dijo Matthieu Schaller de la Universidad de Leiden.

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Las simulaciones de FLAMINGO abren una nueva ventana virtual al universo que ayudará a aprovechar al máximo las observaciones cosmológicas. 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 hipotéticos aleatorios. Al compararlos con observaciones de estructuras a gran escala, pueden medir los valores de los parámetros cosmológicos. Además, pueden cuantificar las incertidumbres correspondientes en comparación con observaciones que limitan la influencia de los vientos galácticos.

más información:
Job Shay et al., Proyecto FLAMINGO: Simulaciones hidrodinámicas cosmológicas de estudios de estructuras a gran escala y cúmulos de galaxias, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society (2023). doi: 10.1093/manras/stad2419

Roy Coghill et al., Flamingo: Calibración de grandes simulaciones hidrodinámicas cosmológicas mediante aprendizaje automático, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society (2023). doi: 10.1093/manras/stad2540

Ian G. McCarthy et al., Proyecto Flamingo: Reconsideración de la tensoridad S8 y el papel de la física bariónica, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society (2023). doi: 10.1093/mnras/stad3107

Información de la revista:
Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society


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