"Uchuu", la simulación más exacta y completa del universo que te permite viajar en el tiempo

Un equipo internacional de investigadores no solo creó todo un universo virtual. También lo puso gratuitamente a disposición de todas las personas con acceso a internet.

Uchuu, un término que significa universo en japonés, es la simulación más realista del cosmos lograda hasta la fecha.

El proyecto fue desarrollado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en colaboración con el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) y la RedIRIS, la red académica y de investigación española.

También participan en la iniciativa otros grupos de investigación de Japón, Estados Unidos, Argentina, Australia, Chile, Francia e Italia.

La simulación permitirá estudiar la evolución del universo con un nivel de detalle y un volumen de información sin precedentes, prácticamente desde después del Big Bang hasta el presente.

"Uchuu pretende básicamente recrear cómo fue la formación del universo, toda la estructura, todo lo que vemos desde cuando el universo estaba apenas en su infancia y tenía 400 mil años", le señaló a BBC Mundo el cosmólogo Francisco Prada, profesor del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España (CSIC) en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA).

"Fuimos capaces con un superordenador dedicado intensivamente al proyecto de recrear toda la física involucrada, básicamente todas las ecuaciones de gravedad de Einstein y las componentes de energía y matería del universo, así como todos los procesos involucrados numéricamente".

La simulación, que yá está disponible en la nube del CESGA, permitirá a los científicos centrarse en distintos momentos en la historia del universo y facilitará la comprensión de fenómenos como la evolución de galaxias y la formación de agujeros negros.

Supercomputadora

La simulación fue posible gracias al superordenador ATERUI II, el ordenador más potente dedicado exclusivamente a astrofísica, que pertenece al Observatorio Astronómico Nacional de Japón.

"Otros grandes ordenadores como el Mare Nostrum en Barcelona pueden tener muchos más procesadores. Pero la ventaja de ATERUI es que está dedicado a muy pocos proyectos en astrofísica", dijo Prada.

"Y esto te permite tener uso exclusivo durante mucho tiempo para poder abordar una simulación como esta, que de otra forma habría sido imposible", explicó.

"Nosotros tuvimos la fortuna de utilizar ATERUI durante un año completo 48 horas cada mes en exclusiva. Esto es un privilegio enorme".

Tomoaki Ishiyama, de la Universidad de Chiba en Japón, fue el encargado de desarrollar y ejecutar el código que creó la simulación.

El resultado "son tres petabytes de datos, el equivalente a casi un millón de fotos de un teléfono móvil de 12 megapíxeles", señaló Ishiyama, en declaraciones recogidas por la agencia EFE.

La simulación consta de 2,1 billones de partículas en un cubo virtual de 9.630 millones de años luz de lado, una dimensión comparable a la mitad de la distancia que existe entre la Tierra y las galaxias más lejanas observadas, señaló el CSIC.

Todos los datos para su análisis están alojados en el CESGA, centro mixto del CSIC y de la Junta de Galicia, y también se pueden descargar por internet a través del servidor del IAA

Evolución de las galaxias

Uchuu permitirá a los científicos estudiar en detalle diferentes instantes y escenarios en la historia del universo, a lo largo de más de 13.000 millones de años.

"Por primera vez podemos estudiar en la misma simulación tanto objetos muy pequeños como objetos enormes, tanto galaxias menos masivas que nuestra Vía Láctea como cúmulos de galaxias muy grandes o vacíos enormes, manteniendo la misma resolución. Eso antes no se había logrado en una misma simulación".

"Es como si en otra simulación solo pudieras estudiar coches. Sin embargo, nosotros podríamos estudiar con nuestra simulación desde un monopatín a aviones o un superpetrolero, y también podríamos ver como todos esos objetos se distribuyen tanto en un prado o en el Himalaya o en las cuencias del océano, en entornos muy diferentes de densidad de materia".

"Las galaxias en el universo se distribuyen en lo que denominamos la estructura a gran escala: hay grandes vacíos, donde hay muy pocas galaxias, hay filamentos, hay grupos como la Vía Láctea y Andromeda y luego hay grandes objetos que son mil veces más masivos que nuestra Vía Láctea".

La simulación permite ver, por ejemplo, cómo galaxias pequeñas se van acretando (fusionando) durante la historia y van formando otras más grandes, en lo que se denomina la formación jerárquica de estructura en el universo, explicó Prada.

"Así se formó la Vía Láctea. Ha ido digamos 'comiéndose' un montón de objetos pequeñitos y eso forma parte de la historia de la formación de la galaxia".

La simulación también permitiría estudiar la colisión de dos galaxias que tienen agujeros negros muy masivos que pueden producir ondas gravitacionales.

"Las galaxias masivas como la Vía Láctea tienen un agujero negro. Es fundamental entender el crecimiento de esas estructuras porque está ligado también al ritmo de acreción de materia que tienen los agujeros negros, cómo se forman".

"Gafas de materia oscura"

Algo fundamental de Uchuu es que incorpora no solo la materia visible, sino las misteriosas materia oscura y energía oscura.

La materia común, hecha de átomos, constituye menos del 5% del total de la energía del universo.

La materia oscura, una forma de materia que no interactúa con la luz y solo es detectable por sus efectos gravitatorios, constituye alrededor del 25%. El resto, un 70%, es lo que los científicos llaman energía oscura.

En la visualización de Uchuu disponible en YouTube, por ejemplo, se ve la materia oscura y cómo se distribuye en un objeto supermasivo como podría ser un gran cúmulo de galaxias.

"Nuestra simulación tiene todos los ingredientes, todos los parámetros que conocemos al día de hoy en las proporciones adecuadas", afirmó Prada.

Las imágenes en Uchuu equivalen a "ponerse unas gafas especiales" que visualizan la materia oscura.

"Hubo un momento en la historia del universo donde la gravedad tuvo que competir con la energía oscura porque si tú solo tuvieras gravedad toda la materia empezaría a colapsar".

"Sin embargo, llega un momento en la historia del universo en que empieza a dominar esta energía oscura que no sabemos lo que es, pero sí sabemos en términos prácticos que es como una fuerza repulsiva, como una presión contra la gravedad", le explicó Prada a BBC Mundo.

"Uno de los grandes retos de Uchuu es que al haber simulado toda la estructura del universo y poder comparar todas las estadísticas que nosotros observamos —por ejemplo, cuántos grandes cúmulos de galaxias tenemos, cuántos grandes vacíos, cómo se agrupan las galaxias—, podremos interpretar mejor la naturaleza de la energía oscura y de la materia oscura, que al día de hoy no sabemos lo que es".

"Se entiende que la materia oscura es una partícula elemental pero no sabemos cuál es. Y la energía oscura ni idea, se entiende que el universo se expande aceleradamente en el tiempo más tardío pero no sabemos qué causa esa expansión acelerada".

Francisco Prada: "Esta imagen muestra cuatro instantes en la historia del universo, el presente es abajo y el pasado es arriba. Y las tres columnas corresponden a regiones diferentes del universo.

Por ejemplo, la de la derecha es muy interesante porque muestra el proceso de formación de un gran vacío.

Si vamos al presente ves que la densidad de galaxias ahí es muy baja, hay grandes regiones que tienen un déficit, un vacío de galaxias, entonces podemos ir atrás en el tiempo y ver cómo se ha formado.

En la primera columna se ve un objeto parecido a la Vía Láctea; esto es como si nosotros nos pusiéramos unas gafas en el cielo y viéramos la materia oscura.

Si en lugar de eso yo te pongo una imagen de lo que solo se ve por el telescopio, sería una galaxia bonita como las de las imágenes del Hubble, pero nosotros vemos toda la materia oscura, porque en nuestra propia galaxia debe de haber miles de pequeños objetos que son materia oscura.

Y en el medio se ve un cúmulo de galaxias que es un objeto mil veces más masivo".

Desde Argentina y Chile

La científica Sofía Alejandra Cora, del Instituto de Astrofísica de La Plata en Argentina, también participa del proyecto Uchuu.

Cora es investigadora independiente del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (Conicet) y profesora asociada de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad Nacional de La Plata.

"El objetivo principal de mi participación en este proyecto es generar un catálogo de galaxias a partir de los datos de la simulación Uchuu, la cual considera sólo materia oscura".

"Para ello, se toma como base la información de las propiedades de los halos de materia oscura y de la forma en que los mismos crecen y se fusionan a lo largo del tiempo", comenzó a explicar a BBC Mundo.

"Y se aplica un modelo semianalítico de formación y evolución de galaxias que tiene en cuenta numerosos procesos físicos que determinan las propiedades de las galaxias", prosiguió.

"Un modelo semianalítico consiste en un conjunto de recetas simples, analíticas, que modelan distintos procesos físicos que afectan al gas y a las estrellas que forman una galaxia".

"La versión más reciente del modelo utilizado por nuestro grupo de trabajo en Argentina está descrita en un artículo de la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS. Esta tarea está en desarrollo".

Cristian A. Vega Martínez, investigador del Departamento de Astronomía y del Instituto de Investigación Multidisciplinar en Ciencia y Tecnología de la Universidad de La Serena (ULS) en Chile, también participa en el proyecto.

"Uno de los grandes desafíos de Uchuu fue el manejo y publicación de la gran cantidad de datos que una simulación de esta categoría puede producir".

"Este tipo de simulaciones fácilmente puede generar cientos de terabytes como producto", le señaló Vega a BBC Mundo.

"Por lo tanto, trabajamos activamente en diseñar las técnicas para manipular estos datos, propocionar una forma directa para compartilos y entregar herramientas para su uso".

Contribuye a ello con su experiencia en el área de simulaciones de formación y evolución de galaxias, y mis conocimientos de computación de alto rendimiento.

Y es que "los datos publicados deben ser suministrados de una forma en que pueda ser útil para la comunidad".

"Simulaciones de este tipo, que permiten modelar grandes volúmenes del universo (que simulan las estructuras que definen dónde se forman las galaxias), son necesarias para poder contrastar nuestras teorías físicas de la formación de galaxias, y de la evolución del universo, con los resultados de grandes experimentos (telescopios) modernos".

"Dar acceso a otros"

Para Francisco Prada, una de las razones principales de la importancia de Uchuu es su disponibilidad gratuita.

"El algo personal. Creo como científico en la responsabilidad de dar acceso a otros científicos que no tienen la posibilidad de realizar estas simulacionespara poder hacer ciencia de alto nivel, de última generación", afirmó.

"Nosotros hemos hecho esto público a todos los científicos del mundo, y no solo científicos, también a toda la gente que tiene internet".

"Y además en Galicia tenemos los datos, así que la gente puede introducirse allí y hacer el análisis de los datos, no tiene que bajarlos a casa. O sea que también hemos proporcionado la capacidad de cómputo, porque normalmente esa capacidad de cómputo no la tiene cualquiera".

La simulación, análisis y difusión pública fueron financiadas por instituciones públicas en Japón y España.

"El coste de este proyecto es muy alto y hay muy pocos grupos en el mundo que pueden hacer este proyecto".

"Estamos en la era del Big Data donde lo que ha generado Uchuu es muy superior a la cantidad de datos que tienen almacenados Youtube, Amazon y Google todos juntos".

"Realmente nosotros hemos logrado poner a disposición de la sociedad y de los científicos una investigación de frontera gratis, eso es lo que a mí me resulta muy reconfortante".