La máquina de Universos

T.E.L: 4 min.

Un virtualizador de universos permite entender mejor la formación y evolución galáctica.

Desde hace muchos años, la astrofísica hace uso de la computación que, al igual que la fotografía y los espectros, se ha vuelto una herramienta indispensable. Con las computadoras se pueden hacer simulaciones, por ejemplo, para comprender mejor la evolución de las galaxias, que son las estructuras a gran escala que dominan el cosmos. Estas simulaciones, hasta ahora, se hacían de a una.
Peter Behroozi, profesor del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona y su equipo dieron un paso mayor: generar millones de diferentes universos simulados en una supercomputadora, cada uno de los cuales obedece a diferentes teorías físicas sobre la formación galáctica.
Sus hallazgos, publicados en MNRAS, desafían ideas fundamentales acerca del rol de la materia oscura en la formación de galaxias y su evolución.
"En la computadora podemos crear muchos diferentes universos y compararlos con el verdadero y eso nos permite inferir qué reglas sigue el universo observado", dijo Behroozi.
El estudio realizado es pionero en crear universos simulados cada uno con 12 millones de galaxias y extendiéndose desde 400 millones de años después del Big Bang hasta nuestros días.

Cada universo "Ex-Machina" fue evaluado con una serie de pruebas para saber cómo aparecían galaxias similares en la simulación en comparación con el real. Los universos más parecidos al nuestro tenían reglas físicas subyacentes similares, demostrando el poder de la herramienta.
Los resultados de la "Máquina del Universo", como los autores llaman al enfoque (en inglés, "UniverseMachine"), ayudó a resolver la vieja paradoja de por qué las galaxias dejan de formar nuevas estrellas incluso cuando conservan suficiente hidrógeno.
Las ideas sostenidas al respecto eran que las estrellas surgen de una compleja interacción entre el gas frío y la gravedad, mientras que otros procesos impiden la formación estelar.
Por ejemplo, se piensa que la mayoría de las galaxias hospedan un agujero negro supermasivo en sus centros. La materia que cae en ellos emite energía que impide que el gas se enfríe lo suficiente para formar incubadoras de estrellas. Lo mismo ocurre con las supernovas.

"Al ir hacia atrás en el pasado del universo, esperamos que la materia oscura sea más densa y así que el gas sea más y más caliente. Eso es malo para la formación estelar, por lo que pensamos que muchas galaxias en el universo temprano debieron cesar de formar estrellas hace mucho tiempo. Pero encontramos lo contrario: galaxias de un cierto tamaño que más probablemente formaban estrellas a una tasa mayor, contrario a lo esperado", explicó el astrónomo.

Para comparar observaciones de galaxias actuales, Behroozi explicó que su equipo creó universos virtuales en los que el caso era el opuesto, es decir, universos en los cuales las galaxias seguían formando estrellas más tiempo. En cambio, cuando los investigadores hacían universos basados en las actuales teorías de formación galáctica -en los cuales las galaxias se detienen antes en la formación de estrellas- esas galaxias aparecían más rojas que las galaxias observadas.

Las galaxias aparecen rojas por dos razones: el corrimiento al rojo, al alejarse; y la disminución de la tasa de formación estelar, que genera menos estrellas azules (jóvenes) y más estrellas viejas (rojas).

"Pero no vemos eso. Si las galaxias se comportan como pensamos y paran de formar estrellas antes, nuestro actual universo estaría mal coloreado. En otras palabras, nos vemos forzados a concluir que las galaxias formaron estrellas más eficientemente en el universo temprano de lo que pensábamos. Y lo que eso nos dice es que la energía creada por agujeros negros supermasivos y estrellas en explosión es menos eficiente en sofocar la formación estelar de lo que nuestras teorías predicen."

"Simular una sola galaxia requiere 10 a la 48 (10⁴⁸) operaciones computacionales. Todas las computadoras de la Tierra combinadas no pueden hacer eso en 100 años. Por lo que para simular una sola galaxia, y mucho más para 12 millones, es necesario hacerlo de otro modo."

Además de usar recursos computacionales del Centro Ames de NASA, el equipo usó "Ocelote", una supercomputadora en cluster de la Universidad de Arizona. Dos mil procesadores realizaron cálculos simultáneamente durante tres semanas. En el curso de su trabajo de investigación, el equipo generó más de 8 millones de universos.

"Tomamos los últimos 20 años de observaciones astronómicas y los comparamos con los millones de universos generados por computadora. Juntamos toda la información y nos fijamos cuáles coincidían con el universo real. Si no coincidían, hacíamos modificaciones y nos volvíamos a fijar", explicó.

Para el futuro el equipo planea expandir la "Máquina de Universos" para incluir la morfología de galaxias individuales para saber cómo evoluciona la forma con el tiempo.

La supercomputadora Ocelote tiene 336 nodos, cada uno con unidades de procesamiento de 28 núcleos y 192 gigabytes de memoria de trabajo. La herramienta se nombró y los racks se pintaron con el dibujo de un ocelote luego de un concurso ganado por Cynthia Sodari, estudiante de comunicación visual. El ocelote es un felino, algo menor que el jaguar y el puma. Probablemente, se buscó el nombre de un felino ya que son animales muy veloces y dinámicos. Estos bellos animales pueden alcanzar los 11 kg, pero un solo rack del cluster computacional pesa hasta una tonelada. Es difícil imitar a la naturaleza, incluso con una supercomputadora.
Mi gato Rey, asentiría lo que digo, pero que está muy ocupado recostado sobre mi falda. Parafraseando a Jacquelyn Mitchard: "A juicio de los gatos, las personas somos sus muebles de sangre caliente favoritos".

Creo que si en otros universos no hubiera gatos, entonces tampoco habría computadoras. Para que las haya, hace falta Alan Turing y la cuántica (con su gato de Schrödinger). Además, Alan Turing ES un gato. ¿No me cree? Entonces no mire este video, a menos que le gane la curiosidad...

Fuentes y enlaces relacionados

Virtual 'Universe Machine' Sheds Light on Galaxy Evolution
https://uanews.arizona.edu/story/virtual-universe-machine-sheds-light-galaxy-evolution

Virtual universe machine
https://sciencenode.org/feature/Virtual%20Universe%20Machine.php

UNIVERSEMACHINE: The correlation between galaxy growth and dark matter halo assembly from z = 0−10
Peter Behroozi, Risa H Wechsler, Andrew P Hearin, Charlie Conroy
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 488, Issue 3, September 2019, Pages 3143–3194,
DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stz1182

Meet 'Ocelote,' the Fastest Cat on Campus
https://uaatwork.arizona.edu/lqp/meet-ocelote-fastest-cat-campus

"Cats regard people as warmblooded furniture", Jacquelyn Mitchard, The Deep End of the Ocean.
Se hizo una película basada en la novela, llamada "El lado profundo del mar".
https://www.imdb.com/title/tt0120646/

Sobre las imágenes

Imagen inicial: NASA, ESA, J. Lotz y the HFF Team/STScI
Foto Ocelote: Daniel Stolte/UANews