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| Una instantánea de una de las simulaciones de AbacusSummit. (El equipo de AbacusSummit) |
En la actualidad, los mayores misterios a los que se enfrentan los astrónomos y cosmólogos son el papel que desempeñan la atracción gravitatoria y la expansión cósmica en la evolución del Universo. Para resolver estos misterios, los astrónomos y cosmólogos están adoptando un doble enfoque. Estos consisten en observar directamente el cosmos para constatar el funcionamiento de estas fuerzas, al tiempo que intentan encontrar resoluciones teóricas para los comportamientos observados, como la materia oscura y la energía oscura.
Entre estos dos enfoques, los científicos modelan la evolución cósmica con simulaciones informáticas para ver si las observaciones se ajustan a las predicciones teóricas. El último de ellos es AbacusSummit, una suite de simulación creada por el Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron y el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA). Capaz de procesar cerca de 60 billones de partículas, esta suite es la mayor simulación cosmológica jamás producida.
Los creadores de AbacusSummit anunciaron el conjunto de simulaciones en una serie de artículos publicados en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Compuesto por más de 160 simulaciones, modela cómo se comportan las partículas en un entorno en forma de caja debido a la atracción gravitatoria. Estos modelos se conocen como simulaciones de cuerpo N y son intrínsecos a la modelización de cómo la materia oscura interactúa con la materia bariónica (también conocida como "visible").
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| La distribución simulada de la materia oscura en las galaxias. Crédito: Brinckmann et al. |
El desarrollo de la suite de simulación AbacusSummit fue dirigido por Lehman Garrison (investigador del CCA) y Nina Maksimova y Daniel Eisenstein, estudiante de posgrado y profesor de astronomía del CfA (respectivamente). Las simulaciones se realizaron en el superordenador Summit del Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) de Tennessee, supervisado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Los cálculos de cuerpos N, que consisten en computar la interacción gravitatoria de planetas y otros objetos, son uno de los mayores retos a los que se enfrentan los astrofísicos en la actualidad. En parte, la dificultad radica en que cada objeto interactúa con todos los demás, independientemente de su distancia: cuantos más objetos se estudien, más interacciones habrá que tener en cuenta.
Hasta la fecha, no existe ninguna solución para los problemas de N cuerpos en los que intervienen tres o más cuerpos masivos, y los cálculos disponibles son meras aproximaciones. Por ejemplo, las matemáticas para calcular la interacción de tres cuerpos, como un sistema estelar binario y un planeta (conocido como el "Problema de los Tres Cuerpos"), aún no se han resuelto. Un enfoque habitual en las simulaciones cosmológicas consiste en detener el reloj, calcular la fuerza total que actúa sobre cada objeto, avanzar el tiempo lentamente y repetir.
Para su investigación (dirigida por Maksimova), el equipo diseñó su código base (llamado Abacus) para aprovechar la capacidad de procesamiento paralelo de Summit, que permite realizar múltiples cálculos simultáneamente. También se basaron en algoritmos de aprendizaje automático y en un nuevo método numérico, que les permitió calcular 70 millones de partículas por nodo/s en los primeros momentos y 45 millones de actualizaciones de partículas por nodo/s en los últimos.
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| Instantánea de una de las simulaciones de AbacusSummit, mostrada a varias escalas de zoom: 10.000 millones de años luz, 1.200 millones de años luz y 100 millones de años luz. Crédito: The AbacusSummit Team/ diseño de Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation |
Como explicó Garrison en un reciente comunicado de prensa del CCA
"Este conjunto es tan grande que probablemente tenga más partículas que todas las demás simulaciones de cuerpo N que se han realizado juntas, aunque es difícil estar seguro de ello. Los estudios de galaxias están proporcionando mapas tremendamente detallados del Universo, y necesitamos simulaciones igualmente ambiciosas que cubran una amplia gama de posibles universos en los que podríamos vivir".
"AbacusSummit es el primer conjunto de simulaciones de este tipo que tiene la amplitud y la fidelidad necesarias para compararse con estas asombrosas observaciones... Nuestra visión era crear este código para ofrecer las simulaciones que se necesitan para esta nueva marca particular de sondeo de galaxias. Escribimos el código para hacer las simulaciones mucho más rápido y con mucha más precisión que antes".
Además de los retos habituales, la ejecución de simulaciones completas de cálculos de N-cuerpos requiere un diseño cuidadoso de los algoritmos debido a todo el almacenamiento de memoria que implica. Esto significa que Abacus no podía hacer copias de la simulación para que trabajaran en ella diferentes nodos del superordenador y, en su lugar, dividió cada simulación en una cuadrícula. Esto consiste en hacer cálculos aproximados para las partículas lejanas, que juegan un papel menor que las cercanas.
A continuación, divide las partículas cercanas en múltiples celdas para que el ordenador pueda trabajar en cada una de ellas de forma independiente, y luego combina los resultados de cada una con la aproximación de las partículas lejanas. El equipo de investigación descubrió que este enfoque (divisiones uniformes) aprovecha mejor el procesamiento paralelo y permite calcular una gran cantidad de la aproximación de las partículas lejanas antes de que comience la simulación.
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| Procesamiento informático paralelo de Abacus, visualizado. Crédito: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation |
Se trata de una mejora significativa respecto a otras bases de código de cuerpos N, que dividen irregularmente las simulaciones en función de la distribución de las partículas. Gracias a su diseño, Abacus puede actualizar 70 millones de partículas por nodo/segundo (donde cada partícula representa un grupo de materia oscura con tres mil millones de masas solares). También puede analizar la simulación mientras se ejecuta y buscar manchas de materia oscura que indiquen la presencia de galaxias brillantes de formación estelar.
Estos y otros objetos cosmológicos serán objeto de futuros estudios que cartografiarán el cosmos con un detalle sin precedentes. Entre ellos se encuentran el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace (RST) y la nave espacial Euclid de la ESA. Uno de los objetivos de estas misiones de gran presupuesto es mejorar las estimaciones de los parámetros cósmicos y astrofísicos que determinan el comportamiento y el aspecto del Universo.
Esto, a su vez, permitirá realizar simulaciones más detalladas que empleen valores actualizados para diversos parámetros, como la energía oscura. Daniel J. Eisenstein, investigador del CfA y coautor del artículo, es también miembro de la colaboración DESI. Él y otros como él están deseando ver lo que Abacus puede hacer por estos estudios cosmológicos en los próximos años.
"La cosmología está avanzando a pasos agigantados gracias a la fusión multidisciplinar de observaciones espectaculares y la informática más avanzada", afirma. "La próxima década promete ser una época maravillosa en nuestro estudio del barrido histórico del universo".
Fuentes, créditos y referencias:
Nina A Maksimova, Lehman H Garrison, Daniel J Eisenstein, Boryana Hadzhiyska, Sownak Bose, Thomas P Satterthwaite, AbacusSummit: a massive set of high-accuracy, high-resolution N-body simulations, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Issue 3, December 2021, Pages 4017–4037, https://doi.org/10.1093/mnras/stab2484
Créditos a Universe Today