Máquina virtual & # 039; universo & # 039; arroja luz sobre la evolución de la galaxia

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Máquina virtual & # 039; universo & # 039; arroja luz sobre la evolución de la galaxia

¿Cómo nacen las galaxias como nuestra Vía Láctea? ¿Cómo crecen y cambian con el tiempo? La ciencia detrás de la formación de galaxias ha seguido siendo un enigma durante décadas, pero un equipo de científicos liderado por la Universidad de Arizona está un paso más cerca de encontrar respuestas gracias a las simulaciones de supercomputadoras.

Observar galaxias reales en el espacio solo puede proporcionar instantáneas en el tiempo, por lo que los investigadores que quieran estudiar cómo evolucionan las galaxias a lo largo de miles de millones de años tienen que volver a las simulaciones por computadora. Tradicionalmente, los astrónomos han utilizado este enfoque para inventar y probar nuevas teorías de formación de galaxias, una por una. Peter Behroozi, profesor asistente del Observatorio Steward de la UA, y su equipo superaron este obstáculo al generar millones de universos diferentes en una supercomputadora, cada uno de los cuales obedeció a diferentes teorías físicas sobre cómo deberían formarse las galaxias.

Los hallazgos, publicados en los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, desafían las ideas fundamentales sobre el papel que juega la materia oscura en la formación de galaxias, cómo evolucionan las galaxias con el tiempo y cómo dan origen a las estrellas.

"En la computadora, podemos crear muchos universos diferentes y compararlos con el actual, y eso nos permite inferir qué reglas conducen a la que vemos", dijo Behroozi, autor principal del estudio.

El estudio es el primero en crear universos autoconsistentes que son réplicas tan exactas de la real: simulaciones por computadora que representan una parte considerable del cosmos real, que contiene 12 millones de galaxias y abarca el tiempo de 400 millones de años después del Big Bang hasta el día de hoy.

Cada universo "Ex-Machina" se sometió a una serie de pruebas para evaluar cómo aparecían galaxias similares en el universo generado en comparación con el universo verdadero. Los universos más similares al nuestro tenían reglas físicas subyacentes similares, lo que demuestra un nuevo enfoque poderoso para estudiar la formación de galaxias.

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Un equipo de científicos liderado por la UA generó millones de universos diferentes en una supercomputadora, cada uno de los cuales obedeció a diferentes teorías físicas sobre cómo deberían formarse las galaxias. (Crédito: NASA, ESA y J. Lotz y el equipo HFF / STScI)

Los resultados de "UniverseMachine", como los autores llaman su enfoque, han ayudado a resolver la antigua paradoja de por qué las galaxias dejan de formar nuevas estrellas, incluso cuando retienen abundante gas hidrógeno, la materia prima de la cual se forjan las estrellas.

Las ideas comunes sobre cómo las galaxias forman estrellas implican una interacción compleja entre el colapso del gas frío bajo el efecto de la gravedad en densas bolsas que dan lugar a las estrellas, mientras que otros procesos contrarrestan la formación de estrellas.

Por ejemplo, se cree que la mayoría de las galaxias albergan agujeros negros supermasivos en sus centros. La materia que cae en estos agujeros negros irradia enormes energías, actuando como sopletes cósmicos que evitan que el gas se enfríe lo suficiente como para colapsar en viveros estelares. Del mismo modo, las estrellas que terminan sus vidas en explosiones de supernova contribuyen a este proceso. La materia oscura también juega un papel importante, ya que proporciona la mayor parte de la fuerza gravitacional que actúa sobre la materia visible en una galaxia, extrayendo gas frío de los alrededores de la galaxia y calentándolo en el proceso.

"A medida que retrocedemos cada vez más temprano en el universo, esperaríamos que la materia oscura sea más densa y, por lo tanto, el gas se esté calentando cada vez más. Esto es malo para la formación de estrellas, por lo que pensamos que muchas galaxias en los inicios el universo debería haber dejado de formar estrellas hace mucho tiempo ", dijo Behroozi. "Pero encontramos lo contrario: las galaxias de un tamaño dado tenían más probabilidades de formar estrellas a un ritmo más alto, en contra de lo esperado".

Para hacer coincidir las observaciones de galaxias reales, explicó Behroozi, su equipo tuvo que crear universos virtuales en los que sucediera lo contrario: universos en los que las galaxias producían estrellas durante mucho más tiempo.

Si, por otro lado, los investigadores crearon universos basados ​​en las teorías actuales de formación de galaxias, universos en los que las galaxias dejaron de formar estrellas desde el principio, esas galaxias parecían mucho más rojas que las galaxias que vemos en el cielo.

Las galaxias aparecen rojas por dos razones. El primero es aparente en la naturaleza y tiene que ver con la edad de una galaxia: si se formó antes en la historia del universo, se alejará más rápido, desplazando la luz hacia el espectro rojo. Los astrónomos llaman a este efecto desplazamiento al rojo. La otra razón es intrínseca: si una galaxia ha dejado de formar estrellas, contendrá menos estrellas azules, que generalmente desaparecen antes y quedan con estrellas más viejas y rojas.

"Pero no vemos eso", dijo Behroozi. "Si las galaxias se comportaran como pensábamos y dejaran de formar estrellas antes, nuestro universo real estaría mal coloreado. En otras palabras, nos vemos obligados a concluir que las galaxias formaron estrellas de manera más eficiente en los primeros tiempos de lo que pensábamos. Y lo que esto nos dice es que la energía creada por los agujeros negros supermasivos y las estrellas en explosión es menos eficiente para sofocar la formación de estrellas de lo que predijeron nuestras teorías ".

Según Behroozi, la creación de universos simulados de complejidad sin precedentes requería un enfoque completamente nuevo que no estaba limitado por la potencia y la memoria computacionales, y proporcionaba una resolución suficiente para abarcar las escalas desde los "pequeños" objetos individuales, como las supernovas, hasta una porción considerable de El universo observable.

"Simular una sola galaxia requiere de 10 a 48 operaciones informáticas", explicó. "Todas las computadoras en la Tierra combinadas no pudieron hacer esto en cien años. Así que para simular una sola galaxia, y mucho menos 12 millones, tuvimos que hacer esto de manera diferente".

Además de utilizar recursos informáticos en el Centro de Investigación Ames de la NASA y el Leibniz-Rechenzentrum en Garching, Alemania, el equipo utilizó la supercomputadora "Ocelote" en el clúster de Computación de Alto Rendimiento de la UA. Dos mil procesadores procesaron los datos simultáneamente durante tres semanas. En el transcurso del proyecto de investigación, Behroozi y sus colegas generaron más de 8 millones de universos.

"Tomamos los últimos 20 años de observaciones astronómicas y las comparamos con los millones de universos simulados que generamos", explicó Behroozi. "Reunimos miles de piezas de información para ver cuáles coincidían. ¿Se veía bien el universo que creamos? Si no, regresaríamos y realizaríamos modificaciones, y verificaríamos nuevamente".

Para comprender mejor cómo surgieron las galaxias, Behroozi y sus colegas planean expandir la Máquina del Universo para incluir la morfología de las galaxias individuales y cómo sus formas evolucionan con el tiempo. (Fuente: Universidad de Arizona)

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