Universo modelo

Cuando las galaxias se encuentran demasiado lejos, los datos que los astrónomos pueden obtener a través de la observación resulta insuficiente. Para obtener mejor información se ha desarrollado la astrofísica numérica, una herramienta computacional que permite, mediante modelos numéricos establecer los procesos físicos y químicos que dominan la evolución de la materia en el universo.

Galaxia M81. Foto: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

Las galaxias son estructuras formadas por millones de estrellas. Su formación y evolución están estrechamente relacionadas con diversos procesos físicos que, de alguna forma, también dan cuenta de cómo ha sido el origen del universo. Se averiguaron muchas cosas sobre las características, estructura y génesis tanto de las galaxias como del universo. Sin embargo, cuando los astrónomos estudian las galaxias lejanas usando telescopios, se encuentran con una insalvable dificultad: la galaxia que están observando puede ya no ser la misma. Prácticamente toda la información sobre cualquier galaxia que se recibe a través de telescopios, se obtiene analizando la luz que llega de ella. Pero la enorme distancia que debe recorrer la luz desde que sale de la galaxia hasta que llega a nosotros hace que la imagen de la galaxia observada corresponda a una etapa más temprana de su evolución. Por ejemplo, si la galaxia se encuentra a 10.000 millones de años luz, ese  es el tiempo que tarda en llegarnos su luz, por lo que, cuando la vemos, estamos observado cómo era hace esa cantidad de tiempo y nada sabemos de cómo es hoy.

Para saber qué ha sucedido con ella durante ese enorme bache temporal, los astrofísicos han desarrollado una herramienta: la Astrofísica Numérica. Los modelos numéricos han permitido a los investigadores obtener información sobre la cinemática, la dinámica, la química y muchas otras propiedades de las galaxias y su entorno, en diferentes etapas de la evolución del universo.

Patricia Tissera, lidera el grupo de Astrofísica Numérica con el que estudian de este modo la formación y evolución de galaxias. “Para hacer las simulaciones hay que asumir un modelo cosmológico, las condiciones iniciales y luego establecer cuáles son los procesos físicos que van a dominar la evolución de la materia en el universo”, dice Tissera. “Estudiamos cómo se forman esas galaxias y cómo se forma una estructura más global que las contiene, la de los cúmulos, y -a su vez- cómo se relaciona eso con los modelos cosmológicos”, agrega la investigadora, quien a lo largo de su carrera ha contribuido a la formación de nuevos investigadores en nuestro país.

Patricia Tissera. Foto: Archivo Exactas-Comunicación

El desafío es encontrar los algoritmos que mejor describan lo que suponen que sucede en el “mundo real”. Para lograrlo, testean sus propios modelos simulando situaciones que pueden observar, por ejemplo una galaxia en alguna etapa de su evolución. “Confrontamos los modelos numéricos con observaciones realizadas por otras personas. Tomamos diferentes teorías de la física y tratamos de armar modelos de galaxias que permitan comprender cómo se forman, bajo ciertas hipótesis. Después, esos modelos se corren en computadoras y se sacan resultados que podemos comparar con las observaciones y así saber si las hipótesis eran correctas o no”, explica Tissera. Si las simulaciones dan como resultado un objeto con propiedades similares al observado, esto quiere decir que las hipótesis asumidas son probables y que el código numérico está bien integrado”, sostiene. Si el modelo pasa esta primera prueba, se puede seguir avanzando cautelosamente sobre el territorio virtual en el que se proyectarán aquellos fenómenos a los que no se puede acceder en forma directa.

“Hacer simulaciones es como filmar la película del universo que no conocemos”, dice Tissera. “Pero después hay que comprobar qué tan realista es esa película. Puede haber una imagen de la película que faltaba, o al revés, la película puede permitir hacer predicciones de una fotografía que todavía nadie sacó”, explica.

Este tipo de cálculos requiere de sistemas informáticos poderosos, capaces de procesar enormes caudales de información en tiempos muy cortos. Desde hace más de una década, el IAFE cuenta con clusters (conjuntos) de computadoras que trabajan en paralelo para poder multiplicar el poder de cálculo. En 2004 llegó HOPE, el primer cluster abierto a la comunidad científica dedicado a simulaciones y modelos computacionales de alto rendimiento (HPC). Tissera, que es directora del primer y segundo Proyecto HOPE, destaca las bondades de acceder a poder de cómputos: “Con HOPE o con equipamiento de similares características podemos correr modelos que involucran  millones de partículas. Lo que antes sólo podía resolverse con una cierta precisión, los clusters pueden hacerlo con una precisión aumentada en varios órdenes de magnitud. Esto permite, entre otras cosas, simular regiones más grandes del universo”. El grupo de Astrofisica Numérica cuenta además con un cluster propio -Fenix- que es parte del nuevo proyecto HOPE (tercera actualización).

El grupo con el que trabaja Tissera se dedica, también, al estudio del enriquecimiento químico del universo. Cuando las estrellas explotan lanzan al espacio elementos químicos y energía. “Las dos cosas afectan el medio, lo enriquecen químicamente y la energía que liberan produce movimiento de masa y calentamiento del gas. El código desarrollado sirve para estudiar cómo se producen y eyectan los materiales químicos de las estrellas al medio interestelar y cómo aparecen los elementos más pesados en el universo”, dice Tissera, pionera mundial en el estudio de la evolución química utilizando simulaciones numéricas.

(De izq. a der.) Pedro Cataldi, Lucas Bignone, María Sol Rosito, Susana Pedrosa, Celeste Artale.

Grupo de Astrofísica Numérica

 (Instituto de Astronomía y Física del Espacio)

Pabellón IAFE, 4788-1916 interno 224.
http://www.iafe.uba.ar/astronomia/extrag/index.html

Dirección: Patricia Tissera (en licencia; actualmente Universidad Andrés Bello, Chile.)
Invetigadores: Susana Pedrosa (directora interina)
Becaria Posdoctoral: María Celeste Artale
Tesistas de doctorado: Lucas Bignone, Maria Sol Rosito
Estudiante de licienciatura: Pedro Cataldi