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29/6/07 - DJ:

Realizan la simulación cosmológica más detallada a la fecha

El modelo incorpora a los agujeros negros, lo que ayuda a predecir dónde ubicar los futuros telescopios.

Galaxias de cerca
Esta imagen de la simulación es un acercamiento a la galaxia huésped del agujero negro más masivo en el universo actual.


Al incorporar la física de los agujeros negros en un modelo altamente sofisticado corriendo en una supercomputadora, un equipo internacional de científicos produjo una simulación sin precedentes de la evolución cósmica que verifica y profundiza nuestro entendimiento de las relaciones entre agujeros negros y las galaxias en las que residen. Llamada BHCosmo, la simulación muestra que los agujeros negros son esenciales a la estructura del cosmos y puede ayudar a la guía de los futuros telescopios, mostrándoles qué buscar al intentar localizar los eventos cósmicos más tempranos y desenredar la historia del universo. El equipo de investigación está liderado por la Universidad Carnegie Mellon e incluye científicos del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics y el Max Planck Institute for Astrophysics. La investigación está por publicarse en The Astrophysical Journal.

"La nuestra es la primera simulación que incorpora la física de los agujeros negros", comenta Tiziana Di Matteo, una cosmóloga teórica y profesora asociada de física en el Colegio de Ciencias de Carnegie Mellon. "Es un reto computacional que involucra más cálculos que cualquier modelo similar anterior del cosmos, y el resultado nos ofrece la mejor imagen a la fecha de cómo se formó el cosmos".

Di Matteo realizó su simulación usando el sistema Cray XT3 en el Centro de Supercomputación de Pittsburg (PSC), el más poderoso sistema disponible.

Observaciones experimentales revelan que los agujeros negros son importantes reguladores de la formación galáctica y, en última instancia, la fábrica del universo actual, de acuerdo a la investigadora. Sin embargo, las simulaciones previas no tomaron en cuenta los agujeros negros porque la demanda computacional era prohibitiva.




La distribución proyectada de la densidad del gas y agujeros negros (mostrado como círculos amarillos) a diferentes corrimientos al rojo cosmológico (Z).

"Incluir los agujeros negros en simulaciones computacionales es crítico. Las galaxias que vemos hoy se ven de esa forma gracias a la física de los agujeros negros", añade Springel, investigador junior del Max Planck. "Debemos hacer simulaciones para entender el rol que los agujeros negros jugaron en formar estructuras tanto en el universo temprano como en el actual".

Los grandes agujeros negros, llamados supermasivos, se encuentran en los centros de las galaxias. Pueden originarse inicialmente cuando las primeras estrellas colapsaron bajo su propia gravedad. Rodeados de gas densos, consumen el material, gas y estrellas y rápidamente crecen hacia tamaños monstruosos, algunos con masas de miles de millones de soles. Pero la evidencia sugiere que los agujeros negros supermasivos se autoregulan - no se dan un festín eterno y no "tragan" una galaxia entera, dice Di Matteo.

En su simulación, así como en la realidad, las galaxias colisionan rutinariamente.
Los agujeros negros supermasivos ocultos en los centros de estas galaxias coreografían la dinámica de la colisión galáctica. El resultado es un tremendo estallido de energía producido al fusionarse los agujeros negros y formar un luminoso estado llamado cuásar. "La formación de cuásars realmente captura cuando lo divertido ocurre en una galaxia", comenta Di Matteo. "Sólo puedes usar una simulación para seguir una compleja, no linear historia como esta para entender cómo cuásars y otras estructuras cósmicas se originan".

La simulación cubrió múltiples escalas de tiempo y espacio hasta 100 millones de años luz, lo que es imposible sin una supercomputadora como la XT3.

La simulación se seteó las condiciones iniciales para reflejar la radiación de fondo de microondas producida en el nacimiento del universo. Luego se sembró la simulación con un cuarto de mil millones de partículas que representan la materia. Para la simulación, Di Matteo usó esferas de fluído para representar trozos de materia como el gas. Este paso fue esencial para que los investigadores pudieran calcular todas las fuerzas físicas en estos trozos. Además se tuvo en cuenta la gravedad ejercida por la materia oscura. Adicionalmente, sus cálculos tuvieron en cuenta las fuerzas asociadas con varios fenómenos cósmicos, incluyendo agujeros negros y estrellas en explosión.

Implicaciones:"Creemos que nuestro trabajo tiene profundas implicaciones para la cosmología", dice la científica.



Para que la computación fuera posible, los científicos usaron 2.000 procesadores -todo el sistema- del Cray XT3 durante cuatro semanas de tiempo computacional. Incluso con todo ese poder informático, se requirieron técnicas especiales para computar todas las fuerzas gravitacionales involucradas. Por ejemplo, se construyó un "árbol" en el cual las partículas cósmicas cercanas ocupaban la misma "rama" y las ramas cercanas estaban relacionadas. Al computar las fuerzas en las partículas del árbol entero, el número de cálculos requeridos se redujo en un factor de unos pocos millones a algo manejable.

El resultado permite a los científicos seguir fácilmente el colpaso de galaxias. "Creemos que nuestro trabajo tiene profundas implicaciones para la cosmología", dice la científica. "Hemos encontrado que los agujeros negros más masivos tempranos no son los que vemos hoy, por lo que la simulación de la dinámica evolución de estas estructuras es crítica para entender la historia cósmica".

"Con nuestras simulaciones, podemos predecir qué deberían ver la próxima generación de telescopios al mirar atrás 13 mil millones de años en el tiempo, justo después del Big Bang. "

La científica espera poder realizar sus próximas simulaciones en computadoras más poderosas y ser audaces como para modelar todo el universo en las escalas observadas con el Sloan Digital Sky Survery (SDSS). El SDSS es el más grande estudio del cosmos que ha catalogado cerca de 100 millones de galaxias a la fecha.

Además, Di Matteo está trabajando con la facultad de ciencias de la computación de Carnegie Mellon para desarrollar maneras más rápidas de combinar la física de lo muy grande con lo muy pequeño en los mísmos cálculos usando un conjunto de herramientas llamadas mallas dinámicas(dynamic meshing).



Fuentes y links relacionados


  • Sobre las imágenes:

  • Galaxias de cerca
    Esta imagen de la simulación es un acercamiento a la galaxia huésped del agujero negro más masivo en el universo actual.
    Esta masiva galaxia elíptica está en el centro de un gran cúmulo galáctico. A unos 600 millones de años luego del big bang (a la izq.), la materia es más difusa que unos 4.5 mil millones de años después. La densidad del gas se incrementa del azul al rojo, y las flechas indican los agujeros negros (el tamaño de la flecha es proporcial a la masa).

  • EurekAlert:Carnegie Mellon University-led team conducts most detailed cosmological simulation to date

  • Paper:Direct cosmological simulations of the growth of black holes and galaxies

  • The BHCOSMO: Simulating black hole and galaxy formation along cosmic time

  • Fixing the holes



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