La simulación Bolshoi , un modelo informático del universo ejecutado en 2010 en la supercomputadora Pléyades del 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 . [1] La simulación del Bolshoi utilizó el ahora estándar modelo ΛCDM (Lambda-CDM) del universo y los parámetros cosmológicos WMAP de cinco y siete años del equipo de la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson de la NASA . [2] "El propósito principal de la simulación Bolshoi es calcular y modelar la evolución de los halos de materia oscura , haciendo así visible lo invisible para que los astrónomos lo estudien, y predecir la estructura visible que los astrónomos pueden tratar de observar". [3] “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 . [4] [5] La primera publicación de datos de las producciones del Bolshoi se ha puesto a disposición del público para los astrónomos y astrofísicos del mundo. [6] Los datos incluyen resultados de la simulación del Bolshoi y de la simulación BigBolshoi, o MultiDark, de un volumen 64 veces mayor que el del Bolshoi. [7] La simulación Bolshoi-Planck , con la misma resolución que Bolshoi, se ejecutó en 2013 en la supercomputadora Pléyades utilizando los parámetros cosmológicos del equipo satelital Planck publicados en marzo de 2013. La simulación Bolshoi-Planck se está analizando actualmente en preparación para su publicación y distribución de sus resultados en 2014. [8] [9]
Las simulaciones del Bolshoi continúan desarrollándose a partir de 2018.
El equipo de Joel R. Primack de la Universidad de California, Santa Cruz , se asoció con el grupo de Anatoly Klypin de la Universidad Estatal de Nuevo México , en Las Cruces [4] [5] para ejecutar y analizar las simulaciones del Bolshoi. En los artículos basados en las simulaciones del Bolshoi se reflejan análisis más detallados y comparaciones con observaciones del grupo de Risa Wechsler en la Universidad de Stanford y otros. [10]
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 que rivaliza con la extraordinaria precisión de las observaciones astrofísicas modernas. [1]
La simulación anterior más grande y exitosa de la evolución galáctica fue el Proyecto de Simulación Milenio , dirigido por Volker Springel. [11] Aunque el éxito de ese proyecto estimuló más de 400 artículos de investigación, las simulaciones Millennium utilizaron los primeros parámetros cosmológicos 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 del Bolshoi utilizan los últimos parámetros cosmológicos, tienen mayor resolución y han sido analizadas con mayor detalle. [10]
La simulación del 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 100 millones de masas solares , [1] en un cubo de espacio tridimensional de aproximadamente mil millones de años luz de borde. La materia oscura y la energía oscura dominan la evolución del cosmos en este modelo. La dinámica se modela con la teoría ΛCDM y la teoría general de la relatividad de Albert Einstein , y el modelo incluye materia oscura fría (CDM) y el término constante cosmológica Λ que simula la aceleración cósmica denominada energía oscura.
Los primeros 100 millones de años ( Myr ) aproximadamente de la evolución del universo después del Big Bang pueden deducirse analíticamente. [12] La simulación del Bolshoi se inició con un corrimiento al rojo z=80, correspondiente a unos 20 millones de años después del Big Bang. Los parámetros iniciales se calcularon con teoría lineal implementada por las herramientas CAMB [13] , [14] que forman parte del sitio web WMAP. [15] 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 13,8 mil millones de años. Por tanto, el volumen experimental representa una región aleatoria del universo, por lo que las comparaciones con las observaciones deben ser estadísticas.
La simulación Bolshoi emplea una versión de un algoritmo de refinamiento de malla adaptativo (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 limitante, elegido para evitar utilizar 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 destruirse en cada paso del tiempo, se ajusta rápidamente a la evolución de la distribución de partículas". [16] Mientras se ejecutaba la simulación del Bolshoi, la posición y la velocidad de cada una de los 8,6 mil millones de partículas que representan la materia oscura se registraron en 180 instantáneas espaciadas aproximadamente uniformemente durante la simulación de 13,8 mil millones de años en la supercomputadora de las Pléyades. [4] Luego se analizó cada instantánea para encontrar todos los halos de materia oscura y las propiedades de cada uno (pertenencia a las partículas, ubicación, distribución de densidad, rotación, forma, etc.). Luego, todos estos datos se utilizaron para determinar todo el historial de crecimiento y fusión de cada halo. Estos resultados se utilizan a su vez para predecir dónde se formarán las galaxias y cómo evolucionarán. Qué tan bien se corresponden estas predicciones con las observaciones proporciona una medida del éxito de la simulación. También se realizaron otros controles. [5]
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 aproximadamente mil millones de años luz de diámetro. “El Bolshoi produce un universo modelo que tiene un sorprendente y asombroso parecido con el universo real. Partiendo de condiciones iniciales basadas en la distribución conocida de la materia poco después del Big Bang, y utilizando la teoría general de la relatividad de Einstein como "reglas" de la simulación, Bolshoi predice un universo moderno con galaxias alineadas en cientos de millones de luz. Filamentos de un año de duración que rodean inmensos vacíos, formando una estructura cósmica similar a una espuma que coincide exactamente con la red cósmica, como lo revelan 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”. [17] La simulación de Bolshoi encontró que la aproximación de Sheth-Tormen sobrepredice la abundancia de halos en un factor de para los corrimientos al rojo . [4]
Esta investigación fue apoyada por subvenciones de la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias (EE. UU.) a Joel Primack y Anatoly Klypin, incluidas subvenciones masivas de tiempo de supercomputadora en la supercomputadora Pléyades de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA en el Centro de Investigación Ames de la NASA. La presentación de los resultados y análisis del Bolshoi en el Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) cuenta con el apoyo parcial de la subvención MultiDark del programa español MICINN. [18]
Una visualización de la simulación del Bolshoi fue narrada en el especial de televisión de National Geographic Inside the Milky Way . [7] [19] 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 Biophilia . [20]
