Simulando la formación de galaxias con fascinante detalle en busca de pistas sobre el universo

“En astrofísica, solo tenemos este universo que podemos observar”, Mark Vogelsberger, un CON profesor de física, dice. “Con una computadora, podemos crear diferentes universos, que podemos verificar”.

A pesar de su brillante complejidad, el vía Láctea es bastante ordinario a medida que avanzan las galaxias. Al menos, así lo ve Mark Vogelsberger.

“Nuestra galaxia tiene un par de características que podrían ser un poco sorprendentes, como el número exacto de estructuras y satélites que la rodean”, reflexiona Vogelsberger. “Pero si promedia muchas métricas, la Vía Láctea es en realidad un lugar bastante normal”.

Él debería saberlo. Vogelsberger, profesor asociado recientemente titular en el Departamento de Física del MIT, ha pasado gran parte de su carrera recreando el nacimiento y la evolución de cientos de miles de galaxias, desde los primeros momentos del universo hasta la actualidad. Aprovechando el poder de las supercomputadoras de todo el mundo, ha producido algunos de los modelos teóricos más precisos de la formación de galaxias, con fascinantes detalles.

Mark Vogelsberger

El profesor asociado del MIT, Mark Vogelsberger, ha pasado gran parte de su carrera recreando el nacimiento y la evolución de cientos de miles de galaxias, desde los primeros momentos del universo hasta la actualidad. En esta ilustración de retrato, el fondo muestra la topología de los flujos de gas a escala de halo alrededor de un solo sistema TNG50. Crédito: Jose-Luis Olivares, MIT. Figura de fondo cortesía de IllustrisTNG Collaboration.

Sus simulaciones del universo han demostrado que las galaxias pueden evolucionar hacia una colección de formas, tamaños, colores y cúmulos, exhibiendo una clara diversidad en la población de galaxias, que coincide con lo que los astrónomos han observado en el universo real. Usando las simulaciones como una especie de carrete de película computacional, los científicos pueden rebobinar la cinta para estudiar en detalle los procesos físicos que subyacen a la formación de galaxias, así como la distribución de la materia oscura en todo el universo.

En el MIT, Vogelsberger continúa refinando sus simulaciones, llevándolas más atrás en el tiempo y sobre extensiones más grandes del universo, para obtener una imagen de cómo podrían haber sido las primeras galaxias. Con estas simulaciones, está ayudando a los astrónomos a determinar qué tipo de estructuras podrían ver los telescopios de la próxima generación en el universo temprano.

Un universo

Vogelsberger creció en Hackenheim, un pequeño pueblo de unos 2.000 residentes en el oeste de Alemania, donde casi todas las noches eran perfectas para observar las estrellas.

“Había muy poca contaminación lumínica y había literalmente un cielo perfecto”, recuerda.

Cuando tenía 10 años, los padres de Vogelsberger le regalaron un libro para niños que incluía datos sobre el sistema solar, al que atribuye haber despertado su temprano interés por la astronomía. Cuando era adolescente, él y un amigo establecieron un laboratorio de astronomía improvisado y se enseñaron a sí mismos cómo instalar telescopios y construir varios instrumentos, uno de los cuales diseñaron para medir el campo magnético de diferentes regiones del sol.

Los programas universitarios de Alemania no ofrecían títulos de astronomía en ese momento, por lo que decidió obtener un diploma en ciencias de la computación, un interés que había desarrollado en paralelo con la astronomía. Se matriculó en el Instituto de Tecnología de Kalrsruhe durante dos semestres, luego decidió pasar a un diploma de física general, que completó en la Universidad de Mainz.

Luego se dirigió a la Universidad de Munich, donde aprendió a aplicar técnicas informáticas a cuestiones de astronomía y astrofísica. Su trabajo de doctorado allí, y en el Instituto Max Planck de Astrofísica, implicó simular la estructura detallada de la materia oscura y cómo se distribuye a pequeñas escalas en todo el universo.

Las simulaciones numéricas que ayudó a desarrollar mostraron que, a pequeñas escalas comparables al tamaño de la Tierra, la materia oscura puede agruparse y moverse a través del universo en “corrientes”, que los investigadores pudieron cuantificar por primera vez a través de sus simulaciones. .

“Siempre me gustó mirar a través de un telescopio como pasatiempo, pero usar una computadora para hacer experimentos con todo el universo fue algo muy emocionante”, dice Vogelsberger. “En astrofísica, solo tenemos este universo que podemos observar. Con una computadora, podemos crear diferentes universos, que podemos verificar (con observaciones). Eso fue muy atractivo para mí “.

“Todo evoluciona”

En 2010, después de obtener un doctorado en física, Vogelsberger se dirigió a la Universidad de Harvard para realizar un postdoctorado en el Centro de Astrofísica. Allí, redirigió su investigación a la materia visible y a simular la formación de galaxias a través del universo.

Pasó la mayor parte de su posdoctorado construyendo lo que eventualmente sería Ilustre – una simulación por computadora muy detallada y realista de la formación de galaxias. La simulación comienza modelando las condiciones del universo temprano, alrededor de 400.000 años después de la Big Bang. A partir de ahí, Illustris simula el universo en expansión durante su evolución de 13,8 mil millones de años, explorando las formas en que el gas y la materia gravitan y condensan para formar estrellas, agujeros negros y galaxias.

“Si ejecutara una de estas simulaciones de principio a fin en una computadora de escritorio, tomaría un par de miles de años”, dice Vogelsberger. “Entonces, tuvimos que dividir este trabajo entre decenas de miles de computadoras para llegar a un tiempo de ejecución razonable de alrededor de seis meses”.

Él y sus colegas ejecutaron las simulaciones en supercomputadoras en Francia, Alemania y Estados Unidos para reproducir la evolución de las galaxias dentro de un volumen cúbico del universo que mide 350 millones de años luz de ancho, la simulación más grande del universo jamás desarrollada en ese momento.

La producción inicial de Illustris tomó la forma de números. Vogelsberger dio un paso más para convertir esos números en forma visual, condensando los cálculos enormemente complejos en videos cortos e impresionantes de un cubo giratorio del universo en expansión inicial, brotando semillas de galaxias en remolino.

Vogelsberger y sus colegas publicó un artículo en Naturaleza en 2014, detallando el resultado de la simulación, junto con sus visualizaciones. Desde entonces, ha recibido innumerables solicitudes de simulaciones, de científicos, medios de comunicación y planetarios, donde las visualizaciones de la formación de galaxias se han proyectado en cúpulas en alta definición. Las simulaciones incluso se han conmemorado en forma de un Sello postal alemán.

En 2013, Vogelsberger se incorporó a la facultad de física del MIT, donde recuerda haber tenido dudas iniciales sobre si podría mantenerse al día con los “primeros puestos”.

“Me di cuenta muy rápidamente de que las personas tienen grandes expectativas, pero también te ayudan a lograr lo que necesitas lograr, y el departamento brinda un gran apoyo en todos los niveles”, dice.

En el MIT, ha continuado perfeccionando las simulaciones por computadora tanto para la formación de galaxias como para la distribución de materia oscura. Recientemente, su grupo lanzó Ilustre TNG, una simulación más grande y detallada de la formación de galaxias. También están trabajando en una nueva simulación de campos de radiación en el universo temprano, además de explorar diferentes modelos de materia oscura.

“Todas estas simulaciones comienzan con un universo uniforme, nada más que helio, hidrógeno y materia oscura”, dice Vogelsberger. “Y cuando veo cómo todo evoluciona para parecerse a algo como nuestro universo, me pregunto hasta dónde hemos llegado con nuestra comprensión de la física. La humanidad ha existido por un corto período; sin embargo, hemos podido desarrollar todas estas teorías y tecnologías para poder hacer algo como esto. Es bastante asombroso.”


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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