Nuevas simulaciones siguen con precisión la formación de galaxias y la estructura cósmica a gran escala
Por la Universidad de York
20 de julio de 2023.
Proyecciones de gas (arriba a la izquierda), materia oscura (arriba a la derecha) y luz estelar (abajo al centro) para una porción en la simulación hidrodinámica más grande de MillenniumTNG en la época actual. La rebanada tiene un grosor de unos 35 millones de años luz. Las proyecciones muestran las vastas escalas físicas en la simulación desde el tamaño, alrededor de 2.400 millones de años luz de diámetro, hasta una galaxia espiral individual (recuadro de la ronda final) con un radio de ~150.000 años luz. El cálculo subyacente es actualmente la simulación hidrodinámica de alta resolución más grande de formación de galaxias, que contiene más de 160 mil millones de elementos de resolución. Crédito: MPA.
La Universidad de York y un equipo internacional de astrofísicos han realizado un ambicioso intento de simular la formación de galaxias y estructuras cósmicas a gran escala en franjas asombrosamente grandes del espacio.
Los primeros resultados de su proyecto MillenniumTNG se publican en una serie de 10 artículos en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Los nuevos cálculos ayudan a someter el modelo cosmológico estándar a pruebas de precisión y a desentrañar todo el poder de las próximas nuevas observaciones cosmológicas, dicen los investigadores, incluido el profesor asistente de York, Rahul Kannan.
En las últimas décadas, los cosmólogos se han acostumbrado a la desconcertante conjetura de que el contenido de materia del Universo está dominado por una enigmática materia oscura y un campo de energía oscura aún más extraño que actúa como una especie de antigravedad para acelerar la expansión del cosmos actual. La materia bariónica ordinaria constituye menos del cinco por ciento de la mezcla cósmica, pero este material fuente constituye la base de las estrellas y los planetas de galaxias como nuestra Vía Láctea.
Este modelo cosmológico aparentemente extraño se conoce con el nombre de LCDM. Proporciona una descripción obstinadamente exitosa de una gran cantidad de datos de observación, que van desde la radiación cósmica de microondas, el resto del calor dejado por el Big Bang caliente, hasta la "red cósmica", donde las galaxias se organizan a lo largo de una intrincada red de filamentos de materia oscura. Sin embargo, la naturaleza física real de la materia oscura y la energía oscura aún no se comprende, lo que llevó a los astrofísicos a buscar grietas en la teoría LCDM.
Identificar las tensiones en los datos de observación podría conducir a una mejor comprensión de estos acertijos fundamentales sobre nuestro Universo. Se requieren pruebas sensibles que necesitan tanto: datos de observación nuevos y potentes como predicciones más detalladas sobre lo que realmente implica el modelo LCDM.
Un equipo internacional de investigadores liderado por el Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA) en Alemania, la Universidad de Harvard en EE. UU., la Universidad de Durham en Reino Unido y el Centro Internacional de Física de Donostia en España, junto con la Universidad de York, han logrado ahora dar un paso decisivo en este último desafío.
Sobre la base de sus éxitos anteriores con los proyectos Millennium e IllustrisTNG, desarrollaron un nuevo conjunto de modelos de simulación denominados MillenniumTNG, que rastrean la física de la formación de estructuras cósmicas con una precisión estadística considerablemente mayor que la que era posible con los cálculos anteriores.
Grandes simulaciones que incluyen nuevos detalles físicos.
El equipo utilizó el código cosmológico avanzado GADGET-4, creado a medida para este propósito, para calcular las simulaciones de materia oscura de alta resolución más grandes hasta la fecha, cubriendo una región de casi 10 mil millones de años luz de diámetro. Además, emplearon el código hidrodinámico de malla móvil AREPO para seguir los procesos de formación de galaxias directamente, en volúmenes aún tan grandes que pueden considerarse representativos del Universo en su conjunto.
La comparación de ambos tipos de simulaciones permite una evaluación precisa del impacto de los procesos bariónicos relacionados con las explosiones de supernovas y los agujeros negros supermasivos en la distribución total de la materia. Un conocimiento preciso de esta distribución es clave para interpretar correctamente las próximas observaciones, como los llamados efectos de lente gravitacional débil, que responden a la materia independientemente de si es de tipo oscuro o bariónico.
Además, el equipo incluyó neutrinos masivos en sus simulaciones, por primera vez en simulaciones lo suficientemente grandes como para permitir observaciones simuladas cosmológicas significativas. Las simulaciones cosmológicas anteriores generalmente las habían omitido por simplicidad, porque constituyen como máximo del uno al dos por ciento de la masa de la materia oscura, y dado que sus velocidades casi relativistas evitan en su mayoría que se agrupen.
Ahora, sin embargo, los próximos sondeos cosmológicos (como los del satélite Euclides de la Agencia Espacial Europea lanzado recientemente) alcanzarán una precisión que permitirá la detección de los efectos de nivel porcentual asociados. Esto plantea la tentadora perspectiva de restringir la masa del neutrino en sí, una profunda pregunta abierta en la física de partículas, por lo que hay mucho en juego.
Para sus simulaciones MillenniumTNG, los investigadores hicieron un uso eficiente de dos supercomputadoras extremadamente poderosas, la máquina SuperMUC-NG en el Centro de Supercomputación Leibniz en Garching y la máquina Cosma8 de Durham. Más de 120.000 núcleos de cómputo trabajaron durante casi dos meses en SuperMUC-NG, utilizando el tiempo de cómputo otorgado por el Centro Alemán de Supercomputación Gauss, para producir el modelo de simulación hidrodinámica más completo hasta la fecha.
MillenniumTNG está rastreando la formación de alrededor de cien millones de galaxias en una región del Universo de alrededor de 2.400 millones de años luz de diámetro. Este cálculo es unas 15 veces mayor que el mejor anterior de esta categoría, el modelo TNG300 del proyecto IllustrisTNG.
Usando Cosma8, el equipo calculó un volumen aún mayor del Universo, lleno de más de un billón de partículas de materia oscura y más de 10 mil millones de partículas para rastrear neutrinos masivos. Aunque esta simulación no siguió la materia bariónica directamente, su contenido de galaxias se puede predecir con precisión en MillenniumTNG con un modelo semianalítico que se calibra contra el cálculo físico completo del proyecto. Este procedimiento conduce a una distribución detallada de las galaxias y la materia en un volumen que, por primera vez, es lo suficientemente grande como para ser representativo del Universo en su conjunto, colocando las comparaciones con las próximas encuestas de observación sobre una base estadística sólida.
Predicciones teóricas para la cosmología.
Los primeros resultados del proyecto MillenniumTNG muestran una gran cantidad de nuevas predicciones teóricas que refuerzan la importancia de las simulaciones por computadora en la cosmología moderna. El equipo ha escrito y presentado 10 artículos científicos introductorios para el proyecto. Ocho de ellos acaban de aparecer simultáneamente en la revista MNRAS, los dos restantes están a punto de seguir en breve y actualmente están disponibles en el servidor de preimpresión arXiv.
Un estudio oportuno examina el descubrimiento de una población de galaxias muy masivas en el Universo joven con el telescopio espacial James Webb. Las masas de estas galaxias son inesperadamente grandes solo un breve tiempo después del Big Bang, lo que aparentemente desafía las expectativas teóricas. El Dr. Kannan analizó las predicciones de MillenniumTNG para esta época temprana. Si bien las simulaciones concuerdan con las observaciones de desplazamientos al rojo de z=10 (cuando el Universo tenía menos de 500 millones de años), confirmó que, si se mantienen, los nuevos resultados de JWST con desplazamientos al rojo aún mayores entran en conflicto con las predicciones de la simulación.
"Tal vez la formación de estrellas es mucho más eficiente poco después del Big Bang que en épocas posteriores, o tal vez las estrellas masivas se forman en mayores proporciones en ese entonces, lo que hace que estas galaxias sean inusualmente brillantes", dice Kannan, de la Facultad de Ciencias de la Universidad de York.
Otro estudio analizó las formas de las galaxias. Las galaxias cercanas tienen la sutil tendencia a orientar sus formas en direcciones similares en lugar de apuntar al azar, un efecto llamado "alineaciones intrínsecas de galaxias". Este efecto mal entendido distorsiona las inferencias basadas en lentes gravitacionales débiles, lo que crea su propia señal de alineación estadística. El proyecto MillenniumTNG podría por primera vez medir alineaciones intrínsecas con una relación señal/ruido muy alta directamente desde las formas de las galaxias simuladas, a distancias de varios cientos de millones de años luz.
"Quizás nuestra determinación de la alineación intrínseca de las orientaciones de las galaxias pueda ayudar a resolver la discrepancia actual entre la amplitud del agrupamiento de materia inferido por lentes débiles y el fondo cósmico de microondas", dice la estudiante de doctorado Ana María Delgado de la Universidad de Harvard, primera autora de este estudio del equipo MillenniumTNG. Con estos resultados, los astrónomos podrán corregir mucho mejor este importante efecto sistemático.
Otros trabajos del análisis inicial del equipo se centran en las señales de agrupamiento de galaxias. Por ejemplo, la estudiante de doctorado Mónica Barrera produjo catálogos simulados extremadamente grandes y muy realistas de galaxias en el pasado "cono de luz" invertido de un observador fiduciario. En este caso, las galaxias más lejanas también son automáticamente más jóvenes, lo que refleja el tiempo de viaje de la luz que llega a nuestros telescopios. Usando estas observaciones virtuales, observó la característica llamada oscilación acústica bariónica (BAO) que proporciona una regla estándar cosmológicamente importante en la función de correlación de dos puntos proyectada de las galaxias.
Sus resultados mostraron que medir estos BAO es una tarea bastante complicada que puede verse significativamente influenciada por los llamados efectos de variación cósmica, incluso cuando se estudian volúmenes extremadamente grandes en encuestas de observación. Mientras que en las simulaciones uno puede observar el Universo modelado desde diferentes puntos de vista para recuperar el promedio estadístico correcto, desafortunadamente esto no es posible para el Universo real. "Las simulaciones de MillenniumTNG son tan grandes y contienen tantas galaxias, más de mil millones en el cálculo más grande, que fue realmente difícil estudiarlas", dice Mónica Barrera. "Los scripts de análisis que funcionan bien para simulaciones más pequeñas tienden a tardar una eternidad en MillenniumTNG".
Análisis de datos cosmológicos.
La avalancha de primeros resultados de las simulaciones MillenniumTNG deja claro que serán de gran ayuda para diseñar mejores estrategias para el análisis de los próximos datos cosmológicos. El investigador principal del equipo, el profesor Volker Springel de MPA, argumenta que "MillenniumTNG combina los avances recientes en la simulación de la formación de galaxias con el campo de la estructura cósmica a gran escala, lo que permite un modelado teórico mejorado de la conexión de las galaxias con la columna vertebral de la materia oscura del Universo. Esto puede resultar fundamental para el progreso en cuestiones clave en cosmología, como la mejor forma de restringir la masa de neutrinos con datos de estructura a gran escala".
Las simulaciones de MillenniumTNG produjeron más de tres petabytes de datos de simulación, lo que constituye un valioso activo para futuras investigaciones que mantendrá ocupados a los científicos participantes durante muchos años.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-07-simulations-formation-galaxies-cosmic-large-scale.html