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  • 06/02/2018

Cosmología

IllustrisTNG: la simulación del universo más detallada

Gracias a una simulación por ordenador denominada IllustrisTNG, se ha obtenido el modelo más detallado de cómo están constituidas las galaxias y del papel en el universo de los agujeros negros de mayor masa.

Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

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La intensidad de las ondas de choque en el gas cósmico (azul) alrededor de estructuras colapsadas de materia negra (naranjas/blancas) [colaboración IllustrisTNG].

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Un equipo internacional de astrofísicos, bajo la dirección de Volker Springel, del Instituto de Heidelberg de Estudios Teóricos, ha ideado y ejecutado la más potente simulación por ordenador del universo y de la formación y desarrollo de las galaxias. Con ella han podido modelizar la influencia de los agujeros negros en la distribución de la misteriosa materia oscura, que solo se hace notar por sus efectos gravitatorios. El modelo creado por la simulación les ha permitido investigar además cómo se forman en el universo mediante fusiones nucleares los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, y cómo se dispersan por las vastedades cósmicas. La simulación lleva el nombre de IlllustrisTNG, donde TNG es acrónimo de The Next Generation.

Para ejecutar IlllustrisTNG, que calcula más de 30.000 millones de elementos de volumen y partículas materiales simultáneamente, Springel y sus colaboradores contaron con el superordenador más potente de Alemania, el llamado Hazel Hen (en castellano sería el grévol, un ave faisánida), un Cray XC40 que se encuentra en el Centro de Cálculo de Alto Rendimiento de Stuttgart. Ocupa el puesto número 19 en la lista de los 500 ordenadores de mayor rendimiento del mundo. Para el cálculo principal de la simulación, 24.000 procesadores estuvieron trabajando durante alrededor de dos meses. En un espacio simulado, con una arista de unos mil millones de años luz, que se toma como representativo del universo entero, se forman varios millones de galaxias y se desarrollan durante largos lapsos de tiempo. Para ello se han tomado en cuenta por primera vez con detalle las propiedades hidrodinámicas de la materia.

En el espacio simulado se construye, como en el universo de verdad, una red o telaraña cósmica de gas y materia oscura. En los nodos de esa red se encuentran las galaxias, cuyas propiedades calculadas coinciden bien con las observadas en las galaxias reales. Con IllustrisTNG se ha conseguido por primera vez una distribución realista de las galaxias. De las simulaciones se derivan conclusiones sobre cómo cambia esa red cósmica durante largos períodos de tiempo, en especial en lo que se refiere a la materia oscura.

IllustrisTNG esclarece también el papel de los agujeros negros centrales de las galaxias. Las galaxias jóvenes alumbran azules, ya que en ellas se forman a la vez grandes cantidades de grandes estrellas azules. Sin embargo, repentinamente, la formación de estrellas se corta y las efímeras estrellas de masa muy grande se extinguen en unas decenas de millones de años. Sobreviven las estrellas pequeñas, de larga duración, parecidas a nuestro Sol o con menos masa aún. Su luz es amarilla o rojiza. Culpables de ese parón del desarrollo son los agujeros negros centrales. Devoran grandes cantidades de materia, y una parte de ella sale disparada en la forma de dos chorros de gas sumamente rápido (su velocidad llega a ser una décima de la velocidad de la luz). Los chorros arrastran afuera de la galaxia todas las acumulaciones de gas y polvo que se encuentren en su camino, tras lo que escasea el material en bruto para crear nuevas estrellas.

Esta imagen generada por IllustrisTNG reproduce las velocidades del gas en un cúmulo simulado de galaxias de masa muy elevada. En las partes oscuras de la imagen el gas apenas si se mueve, mientras que en las claras, hasta llegar a blancas, se alcanzan velocidades de más de mil kilómetros por segundo. En el espacio que circunda al cúmulo el gas se mueve despacio y tranquilo, mientras que en el campo de gravedad del cúmulo, en cuyo centro hay un agujero negro, fluye veloz y caótico [colaboración IllustrisTNG].La evaluación de IllustrisTNG no ha hecho sino empezar. Los investigadores participantes tienen trabajo todavía para años. Se han generado unos 500 terabytes de datos, una enorme montaña de datos, con tesoros que hay que descubrir todavía. 

Tilmann Althaus / spektrum.de

Artículo traducido y adaptado con permiso de Spektrum der Wissenschaft.

Fuente: Instituto Max Planck de Astrofísica.

Referencia: «First results from the IllustrisTNG simulations: the galaxy colour bimodality», de Dylan Nelson et al., «First results from the IllustrisTNG simulations: the stellar mass content of groups and clusters of galaxies», de Annalisa Pillepich et al., y «First results from the IllustrisTNG simulations: matter and galaxy clustering», de Volker Springel et al., en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 475, núm. 1, 21 de marzo de 2018, págs. 624-647, 648-675 y 676–698. Se puede acceder en arXiv  a varios artículos sobre diversos resultados de IllustrisTNG. 

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