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2 de julio de 2007

La simulación cosmológica más detallada a la actualidad

Imagen: Di Matteo et al.

Un equipo internacional de científicos ha incorporado la física de los agujeros negros dentro de en un modelo altamente sofisticado para ser usado a su vez en un poderoso sistema computacional, lo que ha producido una simulación sin precedentes de la evolución cósmica que verifica y profundiza en nuestro entendimiento en las relaciones que existen entre los agujeros negros y las galaxias donde estos residen. El proyecto es denominado como BHCosmo, y la simulación muestra que los agujeros negros son integrantes fundamentales de la estructura del cosmos y pueden ayudar a guiar al uso de los futuros telescopios, mostrando que podemos ver los eventos cósmicos más antiguos y así poder desmenuzar la historia del Universo temprano.

El equipo de investigadores es liderado por la Universidad Carnegie Mellon e incluye a científicos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsoniano CfA, y del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania, El artículo será publicado en el Astrophysical Journal.

"La nuestra es la primera simulación que incorpora la física de los Agujeros Negros" señala Tiziana Di Matteo, cosmóloga teórica y profesora asociada del Mellon College of Science en la Carnegie Mellon. "Es un reto computacional, que involucra más cálculos que los modelos similares anteriores del cosmos, y los resultados ofrecen 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 en Pittsburg (PSC), el sistema más poderoso disponible a través de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. Los colaboradores de Di Matteo son: Jörg Colberg de Carnegie Mellon, Volker Springel y Debora Sijacki del Max Planck Institute for Astrophysics, y Lars Hernquist del CfA.

Las observaciones experimentales han revelado que los agujeros negros son importantes reguladores de la formación de galaxias, y recientemente, que fabrican el universo actual, de acuerdo a Di Matteo.

Nunca antes, las simulaciones habían incluido a los agujeros negros debido a que la demanda computacional era prohibitiva. "Incluir agujeros negros en simulaciones computacionales es critico. Las galaxias que vemos hoy, adquieren su forma debido a la física de los agujeros negros" agrega Springel, del Instituto Max Planck. "Debemos realizar simulaciones para entender el rol que los agujeros negros han tenido en formar tanto las estructuras del universo temprano como del actual".

Los grandes agujeros negros, denominados también agujeros supermasivos, se alojan en el centro de cada galaxia. Se inician cuando las primeras estrellas colapsan bajo su propia gravedad. Están rodeados de gas denso en sus localizaciones centrales. Consumen el material que los rodea, que es gas y estrellas y rápidamente crecen hasta alcanzar tamaños monstruosos, algunos con masas de miles de millones la masa del Sol.

"Pero la mejor evidencia sugiere que estos agujeros negros supermasivos se autorregulan, o sea no crecen por siempre y nunca se "tragan" una galaxia completa", dijo Di Matteo.

En esta simulación cósmica, como es en la realidad, las galaxias colisionan rutinariamente, los agujeros negros encajan en el centro de las galaxias realizando la "coreografía" de la dinámica de la colisión galáctica. El resultado es una cantidad de energía producida con el choque de los agujeros negros denominado cuasar.

La simulación realizada por Di Mateo cubre múltiples escalas de tiempo y espacio hasta 100 millones de años luz. Esto es imposible de realizar sin una computadora superpoderosa. "La XT3 es ideal para esta simulación debido a que tiene una comunicación incorporada increíblemente rápida", señala la autora.

Di Matteo instaló las condiciones iniciales de simulación para reflejar la radiación cósmica de fondo en microondas, producida por el nacimiento del universo. Alimentó la simulación con casi 300 millones de partículas que representan la materia mesurable diaria.

Para la simulación, usó esferas fluidas para representar trozos de materia como un gas frío. Este paso fue esencial para los investigadores para poder calcular todas las fuerzas físicas en estos trozos. Ella también tomó en cuenta la influencia gravitatoria de la materia oscura, esa materia invisible que compone el 90% del Universo.

Adicionalmente, sus cálculos explicaron las fuerzas asociadas con varios fenómenos cósmicos incluyendo el enfriamiento del gas, el crecimiento de los agujeros negros y las estrellas que explotaban.

Para hacer la simulación por computadora, los científicos usaron 2.000 procesadores -el sistema completo- del Cray XT3 durante 4 semanas de tiempo computacional. Aún con este vasto poder computacional, se necesitaron técnicas especiales para permitir que se tomaran en cuenta todas las fuerzas gravitacionales involucradas.

Los resultados fueron impresionantes. La simulación de Di Mattreo permite a un científico ver fácilmente el colapso de las galaxias. Ella también resolvió en escalas de tiempo el rango desde las estructuras del interior de una galaxia única a las estructuras filamentarias donde habitan, las cuales tienen cientos de millones de años luz de largo. "Creemos que nuestro trabajo tendrá profundas implicaciones para la cosmología" señala Di Mateo. Y agrega "hemos encontrado que los agujeros negros masivos más antiguos, no son tan masivos como los que vemos hoy, así que la simulación dinámica de estas estructuras es crítica para entender la historia cósmica."

"Quisiera poder modelar el Universo completo a la escala observada con el SDSS (Estudio Digital del Cielo Sloan), que es el relevamiento más grande del cosmos, el cual ha catalogado cerca de 100 millones de galaxias, a la fecha. Con nuestras simulaciones, podremos predecir lo que pueden ver la siguiente generación de telescopios cuando miren en el tiempo 13 mil millones de años atrás, justo después del Big Bang" señala Di Matteo.

(saa)

Más información en:
http://www.cmu.edu/