viernes, 16 de noviembre de 2007

Simulando el universo en una supercomputadora

Una de las herramientas modernas más importantes de la astrofísica y la cosmología lo es la supercomputadora. Así lo es también en la biología molecular, la nanotecnología, el diseño de ingeniería, la aerodinámica y las ciencias terrestres. La idea de simular procesos complejos y dinámicos en supercomputadoras paralelas atrae cada vez más adeptos, y nos revela paisajes cada vez más asombrosos de nuestro universo físico.

La actividad de la ciencia tradicionalmente se dividía en dos grandes campos: la teoría y el experimento. Una, la parte teórica, trataba de entender las reglas y leyes básicas que explican el comportamiento de los fenómenos físicos de manera mental y lógica únicamente. La otra, la parte práctica y experimental, proveía los datos precisos que indicaban que era lo que había que explicar, y proporcionaba pistas cruciales a los detectives de la teoría para resolver los misterios del cosmos, así como una manera de chequear si las teorías eran ciertas o no. Pero con el advenimiento hace unos pocos años de las supercomputadoras (más o menos baratas si uno usa Linux y conecta muchas PCs unas con la otras) y sus gigantescas capacidades para hacer muchos cálculos a la vez de forma increíblemente rápida se abrió un tercer campo de investigación científica: los experimentos computacionales.

Esto requiere hacer modelos matemáticos de eventos para los cuales entendemos las ideas básicas que los controlan, pero cuyas ecuaciones y número de variables y cálculos son tan grandes que es imposible entenderlos de manera puramente analítica. Conocemos cuales deben ser las ecuaciones que los rigen, pero no podemos resolverlas con papel y lápiz para poder entender qué es lo que significan los resultados de esas ecuaciones. También complica el asunto el que en sistemas como la evolución del universo, la estructura atómica de proteínas y genes, o el clima de la Tierra no se pueden hacer experimentos útiles. Son sistemas o demasiado grandes, o demasiado pequeños, o con tantas variables afectando el comportamiento de los fenómenos que no hay manera factible de controlarlas experimentalmente. Por eso la idea de hacer mini-universos, o moléculas virtuales, o mini-atmósferas terrestres dentro de una computadora. Estas super máquinas pueden resolver en pocos segundos los trillones de cálculos que le tomarían meses a un ejército de seres humanos (aún con calculadoras).

Recientemente astrofísicos computacionales en Alemania y Estados Unidos han creado una simulación tan compleja como exquisita denominada BHCosmos. Esta simulación recrea la evolución del universo poco después del Big Bang y el desacoplamiento de la materia y la radiación, cuando solo existía una nube difusa de incontables átomos de hidrógeno regados por un universo mucho más pequeño del que vemos hoy en día. La simulación incluye la atracción gravitacional, la formación de campos magnéticos, formación de estrellas, emisión de neutrinos, formación de galaxias espirales, y ahora hasta los efectos de los huecos negros supermasivos que se forman en los núcleos galácticos. Su simulación cósmica cubrió múltiples escalas de tiempo y espacio, hasta 100 millones de años-luz. Habría resultado imposible de ejecutar sin una potente supercomputadora.

Tiziana Di Matteo, cosmóloga de la Universidad Carnegie Mellon, y sus colaboradores en el Instituto Max Planck, realizaron la simulación utilizando el sistema Cray XT3 del Centro de Supercomputación de Pittsburgh.

Las observaciones experimentales revelan que los agujeros negros son importantes reguladores de la formación de las galaxias y, finalmente, del tejido actual del universo. No obstante, las simulaciones anteriores no los tuvieron en cuenta porque la demanda de potencia informática resultaba prohibitiva. Incluir los agujeros negros en las simulaciones es crítico. Las galaxias que hoy vemos presentan su actual aspecto debido a la física de los agujeros negros. Los científicos deben hacer simulaciones para averiguar el papel que los agujeros negros han desempeñado en la formación de las estructuras, tanto del universo temprano como del actual.

Aquí les incluyo un interesante video para que vean el poder que están adquiriendo las supercomputadoras a la hora de hacer ciencia "de punta". No solo son simulaciones detalladas y precisas que nos enseñan muchísimo sobre nuestro mundo, sino que vemos que en el entendimiento científico y las matemáticas hay una belleza intrínseca que rivaliza las más aclamadas obras de arte. Que lo disfruten.



1 comentario:

RueMorn dijo...

Interesante post. Yo soy estudiante graduado en Mayaguez y estoy trabajando con modelos numericos de la atmosfera y el oceano y realmente es impresionante como con unas cuantas ecuaciones principales se puede simular con bastante presicion lo que ocurre en la Naturaleza. De un tiempo para aca creo que seria muy interesante el crear un modelo sobre la vida, que de alguna manera comienze con el DNA y ponerlo a correr a ver que sucede, y si la vida como se conoce se desarrollaria solo con seguir procesos quimicos y fisicos, y cuan parecido es a lo que vemos.