El equipo de Cosmología y Estructura a Gran Escala del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha desarrollado, mediante el código numérico BAM (Bias Assignment Method, por sus siglas en inglés), una novedosa estrategia para la generación de catálogos de galaxias sintéticos precisos para reproducir las observaciones de censos de galaxias, lo que permitirá extraer valiosa información cosmológica y dilucidar la naturaleza de la energía oscura.
Este desarrollo, publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), supone un gran progreso en la comprensión de la relación entre los objetos de materia oscura colapsados gravitacionalmente (conocidos como halos), que albergan las galaxias, y la red cósmica subyacente.
El investigador Severo Ochoa del IAC y desarrollador principal del código numérico BAM, Andrés Balaguera-Antolínez, afirma que el código tiene sus raíces “en la idea de mapear la distribución de halos sobre la materia oscura a través de complejos modelos analíticos. BAM da un paso hacia adelante para aprender, a partir de una simulación de N-cuerpos, todas las características estadísticas de la distribución de halos en el Universo, las cuales difícilmente pueden ser encapsuladas en una ecuación”.
“Para comprender mejor la importancia que supone este desarrollo, imaginemos un piso lleno de baldosas de diferentes colores y formas, que juntas forman un patrón muy parecido a un mosaico romano. De repente, un mago llega con una baraja de cartas y distribuye cada carta en una baldosa diferente, de acuerdo con algunas reglas secretas. Esas reglas están relacionadas con el color, el palo, la figura o el número de la carta, y las baldosas y sus colores, formas o ubicación dentro del patrón, así como la interacción entre cartas y baldosas. El juego ahora consiste en desvelar las reglas del mago”, explica Francisco-Shu Kitaura, investigador del IAC, coautor de los artículos y líder del grupo de Cosmología y Estructura a Gran Escala (Large Scale Structure (LSS), por sus siglas en inglés).
“En nuestro caso, las cartas son el número de halos y sus propiedades en elementos de volumen cósmico, y los mosaicos son la distribución de materia oscura definida en el elemento de volumen correspondiente. El patrón formado por las baldosas es la red cósmica resultante de la formación de estructuras. Hemos desarrollado la maquinaria que revela las reglas del mago”, añade Kitaura.
De hecho, lo que ha logrado este equipo es que la distribución de halos resultante sea equivalente a cálculos detallados de gravedad con códigos de N cuerpos, lo que ahorra entre 4 y 5 órdenes de magnitud en el tiempo de cálculo. El código BAM es capaz de reproducir la distribución de materia oscura y sus trazadores en el Universo. Y lo hace en cuestión de minutos, siendo por tanto capaz de generar miles de catálogos. Esto permite estimar las incertidumbres de un Universo único en el que los "dados" de la distribución de estructuras que lo conforman se tiraron solo una vez.
“Cuando miramos los resultados, nos sorprendimos por la precisión alcanzada por nuestro método comparado con los costosos cálculos de las simulaciones. Son indistinguibles”, señalan Marcos Pellejero-Ibáñez, antiguo estudiante de doctorado en el IAC y ahora investigador Juan de la Cierva en el Donostia International Physics Centre, y Martha Lippich, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE, Alemania), quienes se encargaron del análisis estadístico, y que además fueron coautores de otros artículos con el código BAM.
La maquinaria desarrollada por el equipo de LSS permite generar réplicas estadísticamente independientes del Universo observado. Esta es una tarea indispensable para un exhaustivo análisis estadístico de los millones de galaxias que se espera sean observadas por los experimentos en los que participa el IAC. La precisión de estos resultados se basa en detalladas comparaciones con simulaciones numéricas generadas por Claudio dalla Vecchia, investigador del IAC, y por Ariel Sánchez (MPE), también coautores del artículo principal.
“El proceso de replicar el Universo con BAM se asemeja en gran medida al adoptado por los conquistadores españoles en el Nuevo Mundo durante el siglo XVI”, asegura Balaguera-Antolínez. “Exportaron un 'modelo de ciudad' inspirado en la recién fundada (1497) ciudad de San Cristóbal de La Laguna y replicaron la misma estructura global (patrones de calles, reasignación de tierras, distribución jerárquica alrededor de la plaza principal de la ciudad) en diferentes paisajes, geografías y climas. Hoy, desde La Laguna, no estamos replicando ciudades, sino Universos enteros”.
Artículo principal: Balaguera-Antolínez, A.; Kitaura, Francisco-Shu et al. “One simulation to have them all: performance of the Bias Assignment Method against N-body simulations”. MNRAS: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020MNRAS.491.2565B/abstract
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- https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020arXiv200511598K/abstract
Más información:
- http://research.iac.es/proyecto/cosmolss/pages/en/research/mock-galaxy-…
Contacto en el IAC:
- Andrés Balaguera Antolínez: balaguera [at] iac.es (balaguera[at]iac[dot]es)
- Francisco-Shu Kitaura: fkitaura [at] iac.es (fkitaura[at]iac[dot]es)
