Simulación cosmológica Bolshoi - Bolshoi Cosmological Simulation
La simulación Bolshoi , un modelo informático del universo ejecutado en 2010 en la supercomputadora Pléyades en el Centro de Investigación Ames de la NASA , fue la simulación cosmológica más precisa hasta esa fecha de la evolución de la estructura a gran escala del universo . La simulación Bolshoi usó el ahora estándar ΛCDM modelo (Lambda-CDM) del universo y los WMAP cinco y siete años de parámetros cosmológicos de la NASA 's WMAP equipo. "El propósito principal de la simulación Bolshoi es calcular y modelar la evolución de los halos de materia oscura , haciendo así lo invisible visible para que lo estudien los astrónomos, y predecir la estructura visible que los astrónomos pueden buscar observar". "Bolshoi" es una palabra rusa que significa "grande".
Los dos primeros de una serie de artículos de investigación que describen el Bolshoi y sus implicaciones se publicaron en 2011 en el Astrophysical Journal . La primera publicación de datos de los resultados del Bolshoi se ha puesto a disposición del público para los astrónomos y astrofísicos del mundo. Los datos incluyen la salida de la simulación Bolshoi y de la simulación BigBolshoi, o MultiDark, de un volumen 64 veces mayor que el de Bolshoi. La simulación Bolshoi-Planck , con la misma resolución que Bolshoi, se ejecutó en 2013 en la supercomputadora Pléyades utilizando los parámetros cosmológicos del equipo del satélite Planck publicados en marzo de 2013. La simulación Bolshoi-Planck se está analizando actualmente en preparación para la publicación y distribución de su resultados en 2014.
Las simulaciones de Bolshoi continúan desarrollándose a partir de 2018.
Colaboradores
El equipo de Joel R. Primack en la Universidad de California, Santa Cruz , se asoció con el grupo de Anatoly Klypin en la Universidad Estatal de Nuevo México , en Las Cruces para ejecutar y analizar las simulaciones del Bolshoi. Un análisis más detallado y una comparación con las observaciones del grupo de Risa Wechsler en Stanford y otros se reflejan en los artículos basados en las simulaciones del Bolshoi.
Razón fundamental
Una simulación exitosa a gran escala de la evolución de las galaxias , con resultados consistentes con lo que realmente ven los astrónomos en el cielo nocturno, proporciona evidencia de que los fundamentos teóricos de los modelos empleados, es decir, las implementaciones de supercomputadoras ΛCDM, son bases sólidas para la comprensión. dinámica galáctica y la historia del universo, y abre vías para futuras investigaciones. La simulación Bolshoi no es la primera simulación a gran escala del universo, pero es la primera en rivalizar con la extraordinaria precisión de las observaciones astrofísicas modernas.
La simulación anterior más grande y exitosa de la evolución galáctica fue el Proyecto de Simulación del Milenio , dirigido por Volker Springel. Aunque el éxito de ese proyecto estimuló más de 400 artículos de investigación, las simulaciones Millennium utilizaron los primeros parámetros cosmológicos de WMAP que desde entonces se han vuelto obsoletos. Como resultado, llevaron a algunas predicciones, por ejemplo sobre la distribución de las galaxias, que no coinciden muy bien con las observaciones. Las simulaciones de Bolshoi utilizan los últimos parámetros cosmológicos, son de mayor resolución y se han analizado con mayor detalle.
Métodos
La simulación de Bolshoi sigue la distribución en evolución de un conjunto estadístico de 8,6 mil millones de partículas de materia oscura , cada una de las cuales representa alrededor de 200 millones de masas solares , en un cubo de espacio tridimensional de aproximadamente mil millones de años luz en el borde. La materia oscura y la energía oscura dominan la evolución del cosmos en este modelo. La dinámica se modelan con la teoría ΛCDM y Albert Einstein 's teoría general de la relatividad , con el modelo incluyendo materia fría oscura (CDM) y el Λ cosmológica constante término simulando la aceleración cósmica denomina energía oscura.
Los primeros 100 millones de años ( Myr ) de la evolución del universo después del Big Bang pueden derivarse analíticamente. La simulación de Bolshoi se inició con un corrimiento al rojo z = 80, correspondiente a unos 20 Myr después del Big Bang. Los parámetros iniciales se calcularon con la teoría lineal implementada por las herramientas CAMB, parte del sitio web de WMAP. Las herramientas proporcionan las condiciones iniciales, incluida una distribución estadística de posiciones y velocidades de las partículas en el conjunto, para la mucho más exigente simulación Bolshoi de los próximos 13.800 millones de años aproximadamente. Por tanto, el volumen experimental representa una región aleatoria del universo, por lo que las comparaciones con las observaciones deben ser estadísticas.
La simulación de Bolshoi emplea una versión de un algoritmo de refinamiento de malla adaptativa (AMR) llamado árbol de refinamiento adaptativo (ART), en el que un cubo en el espacio con más de una densidad de materia predefinida se divide recursivamente en una malla de cubos más pequeños. La subdivisión continúa hasta un nivel límite, elegido para evitar usar demasiado tiempo de supercomputadora. No se permite que los cubos vecinos varíen en demasiados niveles, en el caso del Bolshoi en más de un nivel de subdivisión, para evitar grandes discontinuidades. El método AMR / ART es muy adecuado para modelar la distribución cada vez más heterogénea de la materia que evoluciona a medida que avanza la simulación. "Una vez construida, la malla, en lugar de ser destruida en cada paso de tiempo, se ajusta rápidamente a la distribución de partículas en evolución". A medida que se desarrollaba la simulación del Bolshoi, la posición y la velocidad de cada una de las 8,6 mil millones de partículas que representan la materia oscura se registraron en 180 instantáneas espaciadas aproximadamente de manera uniforme durante la ejecución simulada de 13,8 mil millones de años en la supercomputadora Pléyades. Luego, se analizó cada instantánea para encontrar todos los halos de materia oscura y las propiedades de cada uno (membresía de partículas, ubicación, distribución de densidad, rotación, forma, etc.). Todos estos datos se utilizaron luego para determinar el crecimiento completo y el historial de fusión de cada halo. Estos resultados se utilizan a su vez para predecir dónde se formarán las galaxias y cómo evolucionarán. La forma en que estas predicciones se corresponden con las observaciones proporciona una medida del éxito de la simulación. También se realizaron otros controles.
Resultados
Se considera que la simulación del Bolshoi ha producido la mejor aproximación a la realidad obtenida hasta ahora para un volumen de espacio tan grande, de unos mil millones de años luz de diámetro. “Bolshoi produce un universo modelo que tiene un parecido sorprendente y asombroso con el objeto real. Comenzando con las condiciones iniciales basadas en la distribución conocida de la materia poco después del Big Bang, y usando la teoría general de la relatividad de Einstein como las 'reglas' de la simulación, Bolshoi predice un universo moderno con galaxias alineadas en cien millones de luz. filamentos de un año de largo que rodean inmensos vacíos, formando una estructura cósmica similar a una espuma que coincide con precisión con la red cósmica, como lo revelan los estudios de galaxias profundas, como el Sloan Digital Sky Survey . Para lograr una coincidencia tan cercana, Bolshoi claramente está dando a los cosmólogos una imagen bastante precisa de cómo evolucionó realmente el universo ".
Apoyo
Esta investigación fue apoyada por subvenciones de la NASA y NSF a Joel Primack y Anatoly Klypin, incluidas subvenciones masivas de tiempo de supercomputadora en la supercomputadora de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA Pléyades en el Centro de Investigación Ames de la NASA. El alojamiento de los resultados y análisis del Bolshoi en el Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) está parcialmente financiado por la subvención MultiDark del Programa MICINN español.
En la cultura popular
Una visualización de la simulación del Bolshoi fue narrada en el especial de televisión de National Geographic Inside the Milky Way . La cantautora islandesa Björk utilizó imágenes de la simulación cosmológica del Bolshoi en la interpretación de su número musical “Dark Matter” en su concierto de Biofilia .