astronomía, modelo del universo, supercomputadoras
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| Una pequeña muestra de las simulaciones de Frontier revela la evolución del universo en expansión en una región que contiene un cúmulo masivo de galaxias desde hace miles de millones de años hasta la actualidad. Las áreas en rojo muestran gases más calientes, con temperaturas que alcanzan los 100 millones de Kelvin o más. Fuente: Laboratorio Nacional Argonne, Departamento de Energía de EE.UU. |
En el Laboratorio Nacional Argonne, los científicos han aprovechado la supercomputadora Frontier para crear una simulación sin precedentes del universo, que abarca una extensión de 10 mil millones de años luz e incorpora modelos físicos complejos.
Este logro monumental permite obtener nuevos conocimientos sobre la formación de galaxias y la evolución cósmica, y demuestra las profundas capacidades de la computación a exaescala.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía han logrado un hito revolucionario al crear la mayor simulación astrofísica del Universo realizada hasta la fecha. Esta simulación fue posible gracias a la supercomputadora Frontier, que recientemente fue la más potente del mundo. Su escala refleja los vastos estudios realizados por telescopios y observatorios avanzados, ofreciendo información sin precedentes sobre el cosmos.
Frontier, ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, es actualmente la segunda supercomputadora más rápida del mundo, superada solo por El Capitan , que se adelantó en noviembre de 2024. Cabe destacar que Frontier es la primera supercomputadora a exaescala del mundo , una distinción que ahora comparte con El Capitan, las cuales representan la vanguardia de la potencia computacional.
Una nueva era en la astrofísica
Esta simulación sin precedentes muestra las inmensas capacidades de la computación a exaescala. La potencia de Frontier permite realizar simulaciones con un nivel de precisión que antes no se podía conseguir, lo que permite a los científicos modelar el universo con un nivel de detalle extraordinario. Sin embargo, para aprovechar al máximo el potencial de la tecnología a exaescala se necesitan enfoques de programación innovadores, que reflejen la complejidad de esta frontera informática de próxima generación.
Frontier supone un avance significativo en las simulaciones astrofísicas. Abarca un volumen del Universo de 10.000 millones de años luz de diámetro. Incorpora modelos físicos detallados de materia oscura, energía oscura, dinámica de los gases, formación de estrellas y crecimiento de agujeros negros . Debería proporcionar nuevos conocimientos sobre algunos de los procesos fundamentales del Universo, como la formación de las galaxias y la evolución de la estructura a gran escala del Universo.
Comprender los componentes del universo
“Hay dos componentes en el universo: la materia oscura, que hasta donde sabemos, solo interactúa gravitacionalmente, y la materia convencional, o materia atómica”, dijo el líder del proyecto Salman Habib, director de la división de Ciencias Computacionales en Argonne.
“Por lo tanto, si queremos saber qué está haciendo el universo, necesitamos simular ambas cosas: la gravedad y el resto de la física, incluidos los gases calientes y la formación de estrellas , agujeros negros y galaxias. El 'fregadero de cocina' astrofísico, por así decirlo. Estas simulaciones son lo que llamamos simulaciones de hidrodinámica cosmológica”, dijo.
La mecánica de las simulaciones cosmológicas
Las simulaciones de hidrodinámica cosmológica combinan la cosmología con la hidrodinámica y permiten a los astrónomos examinar las complejas interrelaciones entre la gravedad y aspectos como la dinámica de los gases y los procesos estelares que han dado forma y siguen dando forma a nuestro Universo. Solo se pueden realizar con supercomputadoras debido al nivel de complejidad y la gran cantidad de ecuaciones numéricas y cálculos involucrados.
Demandas de energía y resultados científicos
La cantidad de energía que necesita Frontier para realizar estas simulaciones es asombrosa: consume unos 21 MW de electricidad, suficiente para abastecer a unas 15.000 viviendas unifamiliares en Estados Unidos. Pero los resultados son igualmente impresionantes.
“Por ejemplo, si tuviéramos que simular una gran parte del universo estudiada por uno de los grandes telescopios, como el Observatorio Rubin en Chile, estaríamos hablando de observar enormes porciones de tiempo: miles de millones de años de expansión”, dijo Habib. “Hasta hace poco, ni siquiera podíamos imaginar hacer una simulación tan grande como esa, excepto en la aproximación basada únicamente en la gravedad”.
"No se trata solo del tamaño del dominio físico, que es necesario para hacer una comparación directa con las observaciones de sondeo modernas que se pueden realizar con computación a exaescala", dijo Bronson Messer, director de ciencia de Oak Ridge Leadership Computing Facility. "También es el realismo físico adicional que supone incluir los bariones y toda la física dinámica lo que hace que esta simulación sea una verdadera proeza para Frontier".
Frontier simula más que el universo. En junio, los investigadores que trabajan con él lograron otro hito: simularon un sistema de 466 mil millones de átomos en una simulación de agua. Se trata del sistema más grande jamás modelado y más de 400 veces más grande que su competidor más cercano. Dado que el agua es un componente principal de las células, Frontier está allanando el camino para una futura simulación de una célula viva.
Frontier promete también avances en muchas otras áreas, como la fisión y fusión nucleares y los sistemas de transmisión de energía a gran escala. También se ha utilizado para generar una simulación de dinámica molecular cuántica que es 1.000 veces mayor en tamaño y velocidad que cualquiera de sus predecesores. También tiene aplicaciones en la modelización de enfermedades, el desarrollo de nuevos fármacos, mejores baterías, mejores materiales, incluido el hormigón, y la predicción y mitigación del cambio climático.
Combinando simulaciones con observaciones
Las simulaciones astrofísicas y cosmológicas como la de Frontier son muy eficaces cuando se combinan con observaciones. Los científicos pueden utilizar simulaciones para probar modelos teóricos en comparación con datos de observación. Al cambiar las condiciones y los parámetros iniciales en las simulaciones, los investigadores pueden ver cómo los distintos factores influyen en los resultados. Es un proceso iterativo que permite a los científicos actualizar sus modelos identificando discrepancias entre las observaciones y las simulaciones.
La enorme simulación de Frontier es solo un ejemplo de cómo las supercomputadoras y la IA están asumiendo un papel más importante en la astronomía y la astrofísica. La astronomía moderna genera cantidades ingentes de datos y requiere herramientas potentes para gestionarlos. Nuestras teorías de la cosmología se basan en conjuntos de datos cada vez más grandes que requieren una enorme capacidad de procesamiento para simularlos.
Frontier ya ha sido reemplazada por El Capitan, otra supercomputadora a exaescala en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). Sin embargo, El Capitan se centra en la gestión del arsenal nuclear del país según el LLNL .
Fuente: Universe Today .
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