El Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha realizado un vídeo de 4 minutos (disponible en sus canales de vídeo de YouTube, Vimeo y Dailymotion) en el que se simula la formación y evolución de un cúmulo de galaxias. Esta simulación ha sido posible gracias a la capacidad de cálculo del superordenador Teide-HPC, el segundo más potente de España y el 138 en la lista Top 500 de los supercomputadores más potentes del mundo (a noviembre de 2013), instalado en el Instituto Tecnológico y de Energías Renovables (ITER) del Cabildo Insular de Tenerife.
La simulación traza la evolución de un solo cúmulo galáctico, una superestructura cósmica consistente en la agrupación de galaxias que se mantienen cohesionadas por la fuerza de la gravedad. En la animación se puede apreciar cómo, a estas escalas, la materia ordinaria del Universo se agrupa en filamentos interconectados sobre enormes vacíos cósmicos, al igual que la estructura de una esponja, como consecuencia del movimiento del gas intergaláctico, la atracción gravitatoria entre galaxias y la interacción con la materia oscura.
También muestra la distribución de los halos, estructuras resultantes del cruce entre varios filamentos en las que se forman y evolucionan las galaxias. En la animación, estos halos son atraídos por el cúmulo hacia su centro hasta formar el embrión de un supercúmulo de más de mil billones de masas solares.
La intensidad del brillo muestra las distintas densidades del gas cósmico. La temperatura se representa a través del color, siendo el rojo la temperatura más elevada, unos 10 millones de grados.
La simulación se ha realizado utilizando una técnica llamada “zoom in”, que permite concentrar toda la capacidad de cálculo en una región pequeña dentro de un volumen cosmológico o cubo periódico en el que se reproduce, de forma continua, la distribución de la materia de una amplia sección del Universo.
El cubo utilizado tiene una longitud de 1.600 millones de años luz en cada lado y cubre un intervalo temporal de 13.000 millones de años, casi la edad del Universo. El volumen incluye 20.000 cúmulos galácticos y se ha estimado la distribución de masa y la cantidad de materia presentes en los halos que los rodean, donde se forman las galaxias.
“El espacio simulado –explica Claudio Dalla Vecchia, investigador del IAC y autor de la simulación- se apoya en el modelo estándar de la Cosmología. Entre las variables incluidas en los cálculos llevados a cabo en el test se encuentra la atracción gravitatoria y el movimiento hidrodinámico del gas cósmico, así como la expansión del Universo. Incluye tanto la evolución y distribución de la materia ordinaria como de la abundante y enigmática materia oscura".
Para la realización de esta simulación se han necesitado dos semanas de tiempo de ejecución y 128 CPU trabajando en paralelo, lo que equivale a 43.000 horas de cálculo. Sin embargo, éste es solo el primer paso de una simulación más completa que tiene previsto utilizar 4.000 CPU durante 1.500 horas, es decir, seis millones de horas de cálculo. “Para la futura simulación, se modelarán los complejos sistemas de retroalimentación en la formación de estrellas, las explosiones de supernovas y la generación de agujeros negros masivos”, añade Dalla Vecchia.
En la simulación completa se prevé que se formen varios centenares de galaxias en cada cúmulo por lo que se podrá llegar a simular con una resolución sin precedentes varios millones de galaxias, algunas de ellas de un tamaño similar a las que integran el Grupo Local de galaxias, unas 10 veces más pequeñas que las Nubes de Magallanes. Además de la masa, también se tendrán en cuenta propiedades como la forma, el tamaño, la velocidad de formación estelar, la cantidad de elementos pesados existentes y la evolución de las estrellas de cada una de las galaxias.
“La simulación –señala el astrofísico del IAC Alfonso López Aguerri, quien también participa en este proyecto- implementa un modelo físico muy realista de nuestro universo. Gracias a ella, los astrofísicos podemos ver, en pocos segundos, la historia completa de la formación de la estructura a gran escala del Universo resultado de miles de millones de años de evolución. Y es también una herramienta muy valiosa para hacer las predicciones teóricas que luego pueden ser contrastadas con los datos recopilados por las observaciones astronómicas.”
Simulación de la formación y evolución de un cúmulo de galaxias con el supercomputador Teide-HPC: Youtube, Vimeo, Dailymotion
Proyecto: “The influence of cluster environments on the structure and evolution of galaxies”, de los investigadores del IAC Alfonso López Aguerri y Claudio Dalla Vecchia.
Simulación: Claudio Dalla Vecchia
Computación: Teide-HPC
Software de visualización: Splotch http://www.mpa-garching.mpg.de/~kdolag/Splotch/
Software de simulación: Anarchy
Textos: Iván Jiménez
Música: Stellardrone, “A moment of Stillness” (CC BY 3.0)
Producción: Unidad de Comunicación y Cultura Científica (UC3) del IAC
