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ASTRONOMÍA. Simulación masiva del universo investiga el misterio de los "escurridizos" neutrinos

 

Representación de un artista de una galaxia con un quásar en el centro. (Imagen: NASA, ESA y J. Olmsted (STScI))

¿Cómo se prueban las teorías del universo? Construyendo supercomputadoras gigantes y simulando la evolución del cosmos. 

Un equipo de científicos japoneses ha construido la simulación cósmica más grande de la historia para incluir diminutas partículas "fantasma" llamadas neutrinos. Para explorar uno de los mayores misterios sin resolver de la física, los investigadores utilizaron la friolera de 7 millones de núcleos de CPU para resolver la evolución de 330 mil millones de partículas y una cuadrícula computacional de 400 billones de unidades. 

Con mucho, la forma de materia más importante del universo es la materia oscura . No estamos seguros de qué es o de qué está hecho, pero sí sabemos que hay mucho. Constituye aproximadamente el 80% de toda la materia. La materia bariónica, la materia que forma las estrellas, los planetas y la rica variedad de toda la tabla periódica, constituye solo una pequeña fracción de toda la materia del universo.

La materia oscura forma la columna vertebral del cosmos. Hace miles de millones de años, no había estructuras en el universo. Toda la materia, oscura o de otro tipo, se distribuyó sin problemas y sin grumos. Simplemente no había muchas variaciones de densidad de un lugar a otro. En general, fue un universo bastante aburrido.

Pero con el tiempo, el universo se volvió más interesante. Hubo pequeñas diferencias de densidad, sembradas a partir de fluctuaciones cuánticas microscópicas en los primeros segundos del Big Bang. Los lugares con una densidad ligeramente más alta tenían un poco más de gravedad , y ahí es donde la materia oscura comenzó a acumularse. A medida que esas primeras estructuras florecieron, atrajeron aún más material. Durante miles de millones de años, este proceso vació vastas regiones del cosmos, ahora conocidas como vacíos cósmicos, arrastrando toda la materia hacia una extensa red de grupos, paredes y filamentos.

Y luego están los neutrinos, partículas extremadamente diminutas que apenas tienen masa. De hecho, constituyen menos del 0,1% de toda la masa del universo. Pero estas minúsculas partículas tienen una enorme influencia en la evolución de las estructuras. Son rápidos, realmente rápidos, capaces de viajar casi a la velocidad de la luzEsta increíble velocidad amortigua la formación de grandes estructuras, como galaxias y cúmulos.

Mientras que la materia oscura quiere seguir acumulándose a través de la gravedad, los neutrinos van demasiado rápido para asentarse en un solo lugar. Y aunque los neutrinos tienen muy poca masa, todavía tienen algo de masa. Pueden usar su gravedad para influir débilmente en el comportamiento de la materia oscura, evitando así que se aglutine con tanta fuerza como lo haría normalmente. 

Misterios del universo 

Encontrar las masas de los tres "sabores" de neutrinos conocidos (neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau) es un problema importante sin resolver en la física moderna. Pero, irónicamente, podemos medir las masas de estas pequeñas partículas mapeando las estructuras más grandes del universo.

Para tratar de comprender la naturaleza de la materia oscura y el papel de los neutrinos en la configuración de la evolución cósmica, los cosmólogos a menudo recurren a las simulaciones por computadora. Si cambia la masa de neutrinos solo un poco en las simulaciones, cambiará la forma en que los neutrinos influyen en la formación de estructuras durante miles de millones de años. Entonces, al medir esas mismas estructuras, puede comprender la masa de neutrinos.

Estas simulaciones generalmente abarcan una pequeña fracción del universo real y comienzan con un conjunto de "partículas" de materia oscura, y cada partícula representa una cierta cantidad de materia oscura, por ejemplo, una sola mancha con una masa de millones de veces la masa del SolLuego, las simulaciones colocan estas partículas como serían en el universo temprano. Las simulaciones rastrean cómo esas partículas evolucionan a través de su gravedad mutua, dando lugar a las estructuras gigantes que vemos hoy.

Esta es una técnica de aproximación, porque el verdadero comportamiento de la materia oscura está representado por un número limitado de partículas, pero funciona muy bien para la materia oscura. Simular neutrinos es mucho más difícil debido a su ridícula velocidad. Es difícil seguir su comportamiento dentro de la simulación porque pueden moverse de un lado a otro de la simulación en un corto período de tiempo. Así que las simulaciones no pueden seguir el ritmo de cómo actúan los neutrinos y cómo influyen en la materia oscura.

Una cuestión de computación 

Entonces, tal vez no deberíamos molestarnos en intentar aproximarnos al comportamiento de los neutrinos. Para seguir correctamente la evolución de los neutrinos y dar cuenta de su rápido comportamiento, es necesario resolver una ecuación increíblemente compleja. Sin embargo, resolver esta ecuación, llamada ecuación de Vlasov, en honor al físico ruso Anatoly Vlasov, requiere inmensos recursos computacionales.

Así que un equipo de científicos japoneses hizo precisamente eso: utilizaron 7 millones de procesadores en la supercomputadora Fugaku para rastrear la evolución de la materia oscura y la influencia de los neutrinos en la formación de estructuras. El investigador usó 330 mil millones de partículas para representar la materia oscura y una cuadrícula computacional de 400 billones de componentes para representar los neutrinos, en la simulación más grande de su tipo.

Y aunque puede que no haya resuelto el misterio de la masa de los neutrinos, la simulación allana el camino para más de este tipo. En esencia, esta simulación fue una prueba de concepto para mostrar que ahora podemos incluir neutrinos en simulaciones con mayor precisión que nunca. Armadas con esta nueva tecnología, las simulaciones futuras abrirán una ventana al papel de los neutrinos en el universo y tal vez incluso revelen una clave para desbloquear su masa.

El documento del equipo se publicó recientemente en el servidor de preimpresión arXiv , y puede ver la simulación aquí . 

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