17.12.2007. Un grupo de astrofísicos de varios países, liderados por el Profesor Gustavo Yepes de la Universidad Autónoma de Madrid, están recreando la formación del Universo cercano a nosotros, que observamos a través de los grandes telescopios, en el supercomputador Magerit del CesVima (Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid), instalado en la Facultad de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid.
Con sus recientemente instalados 2.140 procesadores y sus casi 5 tera bytes de memoria (el equivalente a la memoria de más de 5.000 ordenadores personales), el Magerit es el segundo superordenador más potente de los que integran la recientemente creada Red Española de Supercomputación, sólo superado por el famoso MareNostrum instalado en el Centro Nacional de Supercomputacion en Barcelona. Esta increíble máquina es capaz de realizar más de 12 billones de operaciones por cada segundo. Es pues el lugar perfecto para intentar crear una réplica virtual de nuestro propio universo.
El gran avance que ha tenido la Astrofísica y la Cosmología en los últimos años, gracias a la instalación de potentes telescopios en diferentes lugares del mundo, así como orbitando en el espacio, nos ha permitido obtener una imagen detallada de cómo era el Universo en su más tierna infancia, a partir de la información sobre la radiación cósmica de microondas, pasando por cómo se formaron las primitivas galaxias durante la adolescencia del universo, hasta ver como ha alcanzado, en plena madurez, un grado de estructura nunca antes conocido. Incluso, somos testigos de cómo el Universo está entrando en una época en que su expansión se está acelerando de forma exponencial y por tanto sabemos que tendrá una muy larga y aburrida vejez.
Sin embargo, todavía desconocemos muchas etapas de la larga vida de nuestro universo (casi de 14 mil millones de años de existencia). Con objeto de poder rellenar estas lagunas y tener una visión más completa de los acontecimientos que dieron lugar al universo tal y como lo observamos actualmente, es necesario recurrir a recrearlo virtualmente mediante la realización de complicados cálculos numéricos que tratan de reproducir los procesos físicos responsables de la formación de las estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, y otras estructuras, que se observan a través de los telescopios. Esta es una tarea formidable que necesita de capacidades computacionales extremas.
De ahí que sea una tarea que debe ser abordada mediante grandes colaboraciones internacionales. En este sentido, un grupo interdisciplinar compuesto por astrofísicos de la Universidad Autónoma de Madrid, del Instituto Astrofísico de Potsdam en Alemania junto con colaboradores de Israel, Estados Unidos, Rusia, Grecia, etc, han unido sus esfuerzos para intentar reproducir de la forma más realista posible las condiciones de partida de donde se originaron las galaxias que vemos a nuestro alrededor, incluida aquella en la que vivimos, la Via Láctea. Esta colaboración tomó el nombre del primer gran superordenador donde comenzó este trabajo: The MareNostrum Numerical Cosmology Project, o más abreviadamente MNCP.
Los códigos numéricos encargados de realizar esta tarea han sido diseñados para poder utilizar la potencia combinada de los miles de procesadores tanto de Magerit, como de MareNostrum en España y de otros grandes superordenadores englobados en el Consorcio de Supercomputación Europeo. De esta manera, mediante la utilización de complicados algoritmos numéricos, se pueden reproducir los procesos gravitatorios e hidrodinámicos que tuvieron lugar en los distintos constituyentes del universo: la materia ordinaria de la que todos estamos hechos (átomos, moléculas, etc) y la famosa materia y energía oscuras de las que conocemos su cantidad pero desconocemos todavía su naturaleza.
Visión virtual
Como resultado de este enorme esfuerzo de cómputo, se generan una considerable cantidad de datos que, una vez analizados, nos darán una visión virtual de cómo podría haber sido la formación de las primeras galaxias, cómo se fusionaron para dar lugar a galaxias más grandes y cómo éstas se agruparon después en grupos y cúmulos de galaxias.
Al igual que los estudios de cine de Hollywood donde se realizan películas por ordenador, también aquí es necesario generar muchos fotogramas para realizar la película del universo. Por supuesto, no es posible reproducir lo que ha ocurrido en todo el universo conocido. Nos centramos en un pequeño volumen del mismo cercano a nosotros, de un tamaño típico de entre 200 y 500 millones de años luz de diámetro. En él generamos unas condiciones iniciales similares a las que tenía el universo unos 380,000 años después del Big Bang, deducidas a partir de los datos obtenidos por los satélites WMAP y COBE que analizaron en detalle la radiación cósmica de fondo.
La novedad del trabajo que realizamos reside en que nosotros pretendemos reproducir el tipo de de objetos que observamos alrededor nuestro. Para ello utilizamos una técnica que permite incorporar ligaduras observacionales sobre la distribución espacial de masa y velocidades derivadas a partir de catálogos de galaxias. De esta forma, podemos “preparar” las simulaciones de modo que al final de la evolución temporal se generen estructuras muy similares a las que vemos alrededor nuestro, incluidas nuestra propia Vía Láctea y su vecina, la galaxia de Andrómeda, junto con un considerable número de galaxias satélites, tal como se puede observar en la Figura adjunta.
Una vez analizados, estos datos constituirán una excelente base sobre la que poder realizar multitud de experimentos, es decir, se podrá observar nuestro pedazo de universo simulado de forma muy similar a como se observa el universo real mediante los telescopios actuales. Además, puesto que los objetos que se forman son muy similares a los reales, la comparación entre simulaciones y observaciones es directa.
Laboratorio natural
Es más, en nuestro caso, a diferencia del universo real, es posible para un observador moverse por las tres dimensiones espaciales y también por la dimensión temporal, avanzando o retrocediendo a voluntad. Los superordenadores como Magerit son el laboratorio natural para la Astrofísica y la Cosmología y ayudan en gran medida a que estas ciencias sean menos especulativas y sean consideradas como experimentales. El disponer de acceso a grandes infraestructuras de supercomputación es algo actualmente imprescindible para el avance de muchas ciencias, las llamadas e-ciencias, en que la experimentación es, o bien imposible como en el caso de astrofísica, o bien altamente costosa o peligrosa de realizar.
En España la inversión realizada en astronomía observacional ha sido muy importante. En la isla canaria de La Palma se está terminado de construir uno de los mayores telescopios del mundo. Grupos de investigación españoles participan en la mayor parte de los grandes proyectos internacionales de desarrollo de telescopios y radiotelescopios futuros tanto en tierra como espaciales. Recientemente, se ha formalizado la adhesión de España al Observatorio Europeo Austral, una de las organizaciones más importantes de astronomía en Europa y el mundo.
En el aspecto computacional, España ha dado un paso adelante gigantesco y dispone ahora de una infraestructura de supercomputación inimaginable hace unos años como es la RES, de la cual CesViMa es uno de sus nodos más importantes. Al igual que las grandes inversiones en instrumentación astronómica han hecho posible un desarrollo espectacular de la astrofísica en nuestro país, las inversiones sostenidas en supercomputación serán un revulsivo equivalente para las llamadas e-ciencias, entre ellas, la astrofísica y cosmología computacionales.
Más información:
Gustavo Yepes Alonso
Departamento de Física Teorica
Universidad Autonoma de Madrid
Ilustración
La figura muestra la densidad de materia oscura en un volumen de 500 millones de años luz de diámetro después de 13,700 millones de años de evolución. Se indican el nombre de algunos de los objetos que tienen su contrapartida en el Universo real, tales como el cúmulo de Coma., Virgo, o los supercúmulos de Piscis-Perseo o el Gran Atractor. El circulo amarillo indica la posición de nuestra casa, el llamado Grupo Local de galaxias, formado por la Vía Láctea, la Galaxia de Andrómeda y la del Triángulo, junto con otra gran cantidad de galaxias satélites de menor tamaño. Gracias a la enorme resolución de estas simulaciones, se puede resolver simultáneamente tanto los objetos de mayor tamaño como supercúmulos, como los más pequeños satélites que son más de 1 millón de veces menos masivos, mostrados en el panel de color rojo. Estas simulaciones contienen mas de mil millones de partículas (marcadas como azules en la figura). El Grupo Local, de un tamaño de unos 6 millones de años luz ha sido simulado en Magerit, con una resolución equivalente a distribuir mas de 70 mil millones de partículas en todo el volumen mostrado en azul. Gracias a técnicas especiales de re simulación, ha bastado con utilizar unos 70 millones para simularlo a este nivel de detalle usando para ello 128 procesadores de Magerit. EL volumen mayor de 500 millones de años luz se simuló en MareNostrum utilizando 512 procesadores simultáneamente.
