Los estudios telescópicos de próxima generación trabajarán mano a mano con los supercomputadores para estudiar la naturaleza de la energía oscura.
Symmetry Magazine
Argonne National Laboratory
Por Katie Elyce Jones, para Symmetry Magazine Enero 14 de 2016
Los 2020 podrían ver una rápida expansión en la investigación de la energía oscura.
Para empezar, dos nuevos e impactantes instrumentos explorarán el cielo nocturno en busca de galaxias distantes. El Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, o DESI, medirá las distancias a aproximadamente 35 millones de objetos cósmicos, y el Telescopio de Levantamiento Sinóptico Grande (LSST) capturará videos de alta resolución de casi 40 mil millones de galaxias.
Ambos proyectos investigarán cómo la energía oscura —el fenómeno que los científicos creen que está causando que el universo se expanda a un ritmo acelerado— ha moldeado la estructura del universo a lo largo del tiempo.
Pero los científicos usan más que telescopios para buscar pistas sobre la naturaleza de la energía oscura. Cada vez más, la investigación de la energía oscura se lleva a cabo no solo en los observatorios de la cima de la montaña con vistas panorámicas, sino también en las salas frías y vibrantes que albergan las supercomputadoras de vanguardia.
La cuestión central en la investigación de la energía oscura es si existe como una constante cosmológica —una fuerza repulsiva que contrarresta la gravedad, como sugirió Albert Einstein hace un siglo— o si hay factores que influyen en la velocidad de aceleración que los científicos no pueden ver. Alternativamente, la teoría de la gravedad de Einstein podría estar equivocada.
"Cuando analizamos las observaciones del universo, no sabemos cuál es el modelo subyacente porque no conocemos la naturaleza fundamental de la energía oscura", dice Katrin Heitmann, físico superior del Laboratorio Nacional Argonne. "Pero con las simulaciones por computadora, sabemos qué modelo estamos utilizando, para que podamos investigar los efectos que tendría en los datos de observación".
Una simulación muestra cómo se distribuye la materia en el universo a lo largo del tiempo. Crédito de la imagen: Katrin Heitmann, et al., Argonne National Laboratory
Cultivando un universo
Heitmann y sus colegas de Argonne usan su código de cosmología, llamado HACC, en supercomputadoras para simular la estructura y evolución del universo. Los supercomputadores necesarios para estas simulaciones están construidos a partir de cientos de miles de procesadores conectados y, por lo general, superan los mil millones de cálculos por segundo.
El equipo de Argonne recientemente terminó una simulación de alta resolución del universo expandiéndose y cambiando durante 13 mil millones de años, la mayor parte de su vida útil. Ahora los datos de sus simulaciones se utilizan para desarrollar herramientas de procesamiento y análisis para el LSST, y se están lanzando paquetes de datos a la comunidad investigadora para que los cosmólogos sin acceso a una supercomputadora puedan utilizar los resultados para una amplia gama de estudios.
Risa Wechsler, científica del SLAC National Accelerator Laboratory y profesora de la Universidad de Stanford, es la co-portavoz del experimento DESI. Wechsler está produciendo simulaciones que se utilizan para interpretar mediciones de la Encuesta de energía oscura en curso, así como para desarrollar herramientas de análisis para futuros experimentos como DESI y LSST.
"Al probar nuestras predicciones actuales contra los datos existentes de Dark Energy Survey, estamos aprendiendo dónde deben mejorarse los modelos para el futuro", dice Wechsler. "Las simulaciones son nuestra herramienta predictiva clave. En las simulaciones cosmológicas, comenzamos con un universo primitivo que tiene pequeñas fluctuaciones o cambios en la densidad, y la gravedad permite que esas fluctuaciones crezcan con el tiempo. El crecimiento de la estructura se vuelve cada vez más complicado y es imposible de calcular con lápiz y papel. Necesitas superordenadores ".
Los supercomputadores se han vuelto extremadamente valiosos para estudiar la energía oscura porque, a diferencia de la materia oscura, que los científicos podrían crear en aceleradores de partículas, la energía oscura solo se puede observar en la escala galáctica.
"Con la energía oscura, solo podemos ver su efecto entre las galaxias", dice Peter Nugent, subdirector de división para el compromiso científico en el Centro de Cosmología Computacional en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Barras de prueba y error
"Hay dos tipos de errores en la cosmología", dice Heitmann. "Errores estadísticos, lo que significa que no podemos recopilar suficientes datos y errores sistemáticos, lo que significa que hay algo en los datos que no entendemos".
El modelado por computadora puede ayudar a reducir ambos.
DESI recogerá aproximadamente 10 veces más datos que su predecesor, la Encuesta Espectroscópica de Oscilación Baryon, y LSST generará datos de 30 computadoras portátiles cada noche. Pero incluso estos enormes conjuntos de datos no eliminan por completo el error estadístico. La simulación puede respaldar la evidencia observacional modelando condiciones similares para ver si los mismos resultados aparecen consistentemente.
"Básicamente estamos creando el mismo conjunto de datos de tamaño que todo el conjunto de observaciones, luego lo estamos creando una y otra vez — produciendo hasta 10 a 100 veces más datos que los conjuntos de observación", dice Nugent.
Procesar grandes cantidades de datos requiere análisis sofisticados. Las simulaciones lo hacen posible.
Para programar las herramientas que compararán datos observacionales y simulados, los investigadores primero tienen que modelar cómo se verá el cielo a través del lente del telescopio. En el caso del LSST, esto se hace incluso antes de que el telescopio esté construido.
Después de poblar un universo simulado con galaxias que son similares en distribución y brillo a las galaxias reales, los científicos modifican los resultados para dar cuenta de la óptica del telescopio, la atmósfera de la Tierra y otros factores limitantes. Al simular el producto final, pueden procesar y analizar de manera eficiente los datos de observación.
Las simulaciones también son una forma ideal de abordar muchas fuentes de error sistemático en la investigación de la energía oscura. Por todas las apariencias, la energía oscura actúa como una fuerza repulsiva. Pero si surgen otras propiedades inconsistentes de la energía oscura en nuevos datos u observaciones, se necesitarán diferentes teorías y una forma de validarlas.
"Si quieres ver las teorías más allá de la constante cosmológica, puedes hacer predicciones a través de la simulación", dice Heitmann.
Una forma convencional de probar nuevas teorías científicas es introducir el cambio en un sistema y compararlo con un control. Pero en el caso de la cosmología, estamos atrapados en nuestro universo, y la única forma en que los científicos pueden descubrir la naturaleza de la energía oscura —al menos en el futuro previsible— es desatando teorías alternativas en un universo virtual.
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