De qué manera la simulación Bolshoi hace evolucionar el universo una y otra vez.
La mayor parte de la materia ordinaria en el universo -la que forma átomos, estrellas y galaxias- es invisible, ya sea desperdigada a través del espacio intergaláctico en formas tenues que emiten y absorben poca luz o dentro de galaxias en nubes densas y turbias de polvo y gas, escribió Joel R. Primack en IEEE Spectrum.
La simulación Bolshoi modela la evolución de la materia oscura, la cual se cree responsable de la estructura a gran escala del universo. Algunas instantáneas de la simulación muestran la distribución de materia oscura a 500 millones y 2.2 mil millones de años (arriba) y 6 mil millones y 13.7 mil millones de años (abajo) después del Big Bang. (Crédito: Simulation, Anatoly Klypin and Joel R. Primack; Visualization, Stefan Gottlöber/Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam)
Cuando los astrónomos observan el cielo nocturno con sus más potentes telescopios, no pueden ver más del 10 por ciento de la materia ordinaria que allí se encuentra.
Para identificar la materia y energía oscuras no visibles, los cosmólogos requieren modelos teóricos sobre la manera en que el universo ha evolucionado y una forma de probar esos modelos. Afortunadamente, gracias al progreso en supercomputación, ahora es posible simular la evolución completa del universo.
Recientemente completamos una de esas simulaciones, la cual llamamos Bolshoi, que es la palabra rusa para “enorme” o “grande”. Iniciamos la simulación Bolshoi en un estado similar al universo hace 13.7 mil millones de años, no mucho después de la Gran Explosión o Big Bang, y a partir de allí simulamos la evolución de la materia y energía oscuras hasta el día de hoy.
Esta tarea se logró con la utilización de 14,000 unidades de procesamiento (CPUs) en la máquina Pléyades del Centro de Investigación Ames, de la NASA, y que es en este momento su computadora más veloz.
Para simular el universo en una computadora, debes conocer por donde iniciar. Afortunadamente, los cosmólogos tienen una muy buena idea de como fueron los primeros momentos del universo. Existen muy buenas razones para creer que un período de tiempo extraordinariamente corto -de duración mucho menos de 10-30, una milésima de trillón de un femtosegundo- el universo se expandió exponencialmente, tomando lo que entonces fueron variaciones cuánticas en la densidad de la materia y energía e inflándolas tremendamente en tamaño. De acuerdo a esta teoría de “inflación cósmica”, pequeñas fluctuaciones en la distribución de materia oscura eventualmente dieron origen a todas las galaxias.
Resulta que la reconstrucción de la fase temprana de crecimiento de estas fluctuaciones -hasta 30 millones de años después del Big Bang- no requiere más que una computadora portátil. Eso se debe a que el universo temprano era extremadamente uniforme, las diferencias en densidad de lugar a lugar no eran más que milésimas del porcentaje.
Con el tiempo, la gravedad magnificó estas pequeñas diferencias en densidad. Las partículas de materia oscura ejercieron atracción entre ellas y las regiones con una densidad ligeramente mayor se expandieron más lentamente que el promedio, mientras que las regiones con menor densidad se expandieron más rápidamente. Los astrofísicos pueden modelar el crecimiento en las fluctuaciones de densidad en esos tiempos tempranos con relativa facilidad utilizando ecuaciones lineales simples para simular los efectos gravitaciones relevantes.
La simulación Bolshoi precisamente entra antes que estas interacciones gravitacionales de este universo crecientemente grumoso empiecen a mostrar efectos no lineales.
Una vez que la simulación dio inicio, cada partícula empezó a ejercer atracción sobre todas las otras partículas. Con un número cercano de partículas de 10 mil millones, eso daría lugar a cerca de 1020 interacciones que requerían ser evaluadas en cada paso. Realizar esa gran cantidad de cálculos podría haber sido demasiado lento, por lo que tomamos algunos atajos.
A medida que Bolshoi se ejecutaba, registramos la posición y velocidad de cada una de las 8.6 mil millones de partículas que representaban la materia oscura, generando así 180 instantáneas del estado de nuestro universo simulado más o menos en intervalos similares de tiempo. Esta pequeña muestra significa aún una gran cantidad de información -cerca de 80 terabytes. En total, la simulación Bolshoi requirió 400,000 pasos y cerca de 6 millones de horas CPU para finalizar -el equivalente de 18 días utilizando 18,000 cores y 12 terabytes de RAM en la supercomputadora Pléyades. Como casi siempre sucede en la astronomía observacional, la mayor cantidad de trabajo llega después de recolectar las montañas de información.
Como puedes imaginar, ninguna simulación puede abarcar todo. Se debe negociar entre la resolución y el tamaño de la región que se modela. La Bolshoi fue de tamaño intermedio. Consideró un volumen cúbico de espacio de cerca de 1mil millones de años luz, lo que representa cerca del 0.00005 del volumen del universo observable. Aún así, generó 10 millones de halos -un número amplio para evaluar la evolución general de las galaxias.
Uno de los mayores obstáculos en avanzar será adaptar el siempre cambiante paisaje de la supercomputación. la velocidad de los microprocesadores individuales no se ha incrementado de manera significativa desde el 2004. En su lugar, las computadoras de hoy incluyen más cores en cada chip y muy frecuentemente les incorporan aceleradores, como el tipo de aceleradores gráficos. Escribir programas eficientes para ese tipo de arquitectura de computación será un gran reto, como lo es el siempre creciente monto de información provenientes de simulaciones y observaciones astronómicas.
A pesar de estas dificultades, se tienen razones para pensar que experimentos numéricos como el Bolshoi continuarán mejorando. Con un poco de suerte, estos juguetes de universo que los astrofísicos crean nos ayudarán a tener una mejor idea de lo que vemos en nuestros grandes telescopios -y ayudar en responder algunas de las preguntas más importantes que tenemos acerca del universo que llamamos casa.
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