La cosmología computacional, una de las ramas más jóvenes de la astrofísica moderna, ha permitido en los últimos años grandes avances en el conocimiento de la formación y la evolución del Universo. Las simulaciones cosmológicas realizadas mediante superordenadores se están convirtiendo en laboratorios virtuales en los que se comprueban las teorías comparándolas directamente con la observación. Los resultados son tan espectaculares que “el Universo virtual recreado en un laboratorio mediante superordenadores se parece al real”, señala Vicent Quilis, (Valencia, 1968), doctor en Física, profesor titular del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València y miembro del Proyecto de Investigación de Excelencia Prometeo de la Generalitat Valenciana “Astrofísica relativista y cosmología computacional”.
P. ¿Qué aporta la cosmología computacional en el estudio de la formación y evolución del Universo?
R. La cosmología computacional nos está permitiendo entender por qué el Universo se ha formado de esa manera y no de otra. Fundamentalmente, nos sirve para conocer cómo es la distribución de la materia en el Cosmos, cómo se agrupa esta materia para formar estructuras que van desde las estrellas hasta los cúmulos de galaxias, y cuáles son los procesos responsables de que estas estructuras tengan las propiedades que observamos con los grandes telescopios. Las supercomputadoras nos están posibilitando modelizar la formación y evolución de estas estructuras y, mediante la comparación directa entre ambos universos, el simulado y el real, nos permite aprender sobre los procesos físicos que gobiernan la evolución del Cosmos.
P. ¿Hasta qué punto esos modelos virtuales de laboratorio llegan a recrear la realidad?
R. El Universo virtual que se recrea en un laboratorio mediante superordenadores se parece ya al real. La cosmología computacional se encuentra en disposición de generar universos virtuales que ya son comparables con el Universo real, como demuestran varias simulaciones realizadas en los últimos años y, en especial, la generada hace apenas unos meses por un consorcio internacional. Hoy en día ya es posible recrear universos virtuales en los ordenadores, que no son una recreación artística, sino el resultado de la evolución, mediante las leyes físicas fundamentales, de las condiciones iniciales desde el Universo primitivo hasta la época actual.
«La cosmología computacional se encuentra en disposición de generar universos virtuales que ya son comparables con el Universo real»
P. ¿Cuáles son las técnicas de simulación que se utilizan en los superordenadores?
R. Las técnicas se basan en resolver complejos problemas matemáticos que requieren realizar numerosas operaciones que sólo se pueden llevar a cabo con la ayuda de potentes supercomputadores. A través de estos cálculos numéricos, que reproducen virtualmente los procesos físicos responsables de la formación de las estrellas y las galaxias, se logra una descripción de las circunstancias que dieron lugar a la formación y evolución de las estructuras que configuran el Universo. Es decir, se esclarecen fenómenos que seríamos incapaces de observar o reproducir en condiciones normales. Todo ello permite que muchas de las investigaciones teóricas en cosmología vayan por delante de los avances que se derivan de las observaciones telescópicas.
P. ¿Qué ha aportado la astrofísica computacional al estudio de las galaxias?
R. Uno de los ejemplos de problemas históricos de la cosmología, al que han contribuido sustancialmente las simulaciones, es entender la distribución de las galaxias en el Universo. Estas no se distribuyen de una manera aleatoria, sino que obedecen a ciertos patrones estadísticos generados por los procesos físicos responsables de la evolución e interacción entre las mismas. Así, cantidades como la abundancia de galaxias en un cierto entorno, el número de objetos con una determinada masa o la separación característica entre ellas, son cantidades directamente medibles en los grandes catálogos observacionales de galaxias. Gracias al avance de los modelos teóricos, conjuntamente con el desarrollo de los grandes supercomputadores, ya es posible medir estas mismas cantidades en la nueva generación de simulaciones cosmológicas. Sólo los universos virtuales que presenten valores compatibles con los observadores representarán modelos de universo factibles y, por tanto, evolucionados con las leyes físicas correctas.
P. ¿Cuál es el principal papel de las simulaciones cosmológicas?
R. Entender, de manera controlada, todos los procesos que han llevado a la existencia del complejo Universo observado a través de los telescopios. Un ejemplo característico es el que tenemos cuando un telescopio produce una imagen de una galaxia. Mientras que el instrumento nos proporciona información sólo sobre el estado de esa galaxia en el instante que la luz abandonó el objeto, las simulaciones nos permiten controlar todos los procesos anteriores que llevaron a esa galaxia a tener las características observadas por el telescopio. Las simulaciones también han servido durante muchos años para predecir fenómenos que no se habían observado aún y que, posteriormente, con la mejora de los telescopios, han sido observados.
P. Póngame un ejemplo
R. Haber logrado reproducir en los ordenadores las características de las galaxias, tanto las espirales, formadas por estrellas fundamentalmente jóvenes, como las elípticas, compuestas por estrellas viejas, está permitiendo generar a través de los superordenadores toda la historia virtual del Universo y comparar los resultados con la observación. Durante mucho tiempo se creía que las galaxias se transformaban a lo largo de su evolución, sufriendo diversos procesos y mutando su forma. Se intuía que la causa de estos cambios estaba directamente relacionada con su interacción con el entorno que las rodeaba, aunque no existía ninguna prueba de ello. Las simulaciones aclararon este punto, explicando detalladamente los procesos involucrados y sus mecanismos. Observaciones posteriores muy mejoradas corroboraron los resultados de las simulaciones.
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