La simulación del universo mediante computadoras: Entrevista a Jaime Salcido

Jaime Salcido, de 31 años de edad, es originario de la ciudad de Chihuahua, México. Ingeniero de profesión, músico de corazón y padre primerizo, actualmente se forma para convertirse en cosmólogo. El camino que ha tenido que recorrer ha sido a veces difícil, a veces divertido: desde pequeño siempre estuvo interesado en el Universo y en el Espacio, admirando el cielo y las estrellas, preguntándose el por qué estamos aquí, cuántas estrellas hay o cómo de lejos están. Sin embargo, no tuvo la oportunidad de estudiar astrofísica como carrera, sino ingeniería mecatrónica, que le sirvió para trabajar durante varios años para la industria médica y automotriz en México. Fue entonces cuando decidió continuar sus estudios y realizar una maestría en ciencias matemáticas en la Universidad de Durham en el Reino Unido. Este giro a su carrera profesional fue un reto muy grande, pero le dio las bases para poder comenzar los estudios de doctorado en el Instituto de Cosmología Computacional de la misma universidad.

Su participación en el XIII Simposio de Estudiantes y Estudios Mexicanos en el University College London nos motivó muchas preguntas que por fortuna hemos podido hacerle.

RM: Estimado Sr. Jaime, gracias por atendernos. Es un placer poder conversar con usted.

JS: Gracias a ustedes por esta oportunidad. Es un placer participar en la entrevista

RM: Actualmente integra el Proyecto EAGLE de la Universidad de Durham. ¿Qué es exactamente la simulación virtual del universo mediante supercomputadoras?

JS: Por sus siglas en inglés, el proyecto EAGLE significa “Evolución y ensamble de galaxias y su entorno”, el cual consiste en simulaciones cosmológicas utilizando supercomputadoras para entender el origen y evolución de las galaxias en el universo. Nuestras simulaciones siguen la expansión del universo, las fuerzas gravitacionales de la materia, la dinámica del gas en el cosmos y la formación de estrellas y agujeros negros. Modelamos todos estos “ingredientes” a partir de condiciones iniciales simples poco después del Big Bang (en términos cosmológicos) y simulamos 13.7 billones de años de evolución del universo. Al final, el volumen simulado reproduce 10,000 galaxias de diferentes formas, tamaños y otras propiedades muy similares a las galaxias que observamos en nuestro universo.

RM: ¿En qué consiste tu trabajo? ¿Cuál es tu especialización?

JS: Actualmente estudio el primer año de doctorado en el Instituto de Cosmología Computacional (ICC) de la Universidad de Durham en el Reino Unido. Mi proyecto de investigación consiste en explorar las propiedades de los agujeros negros en las simulaciones cosmológicas. Específicamente como los agujeros negros crecen cuando las galaxias en las que residen, colisionan entre si, y como lograríamos “observar” estos fenómenos a través de las ondas gravitacionales que estos eventos producen.

RM: Esos equipos con los que trabajáis ¿qué dimensiones y características tienen?

JS: Una de las supercomputadoras que utilizamos para la simulación es la “Maquina cosmológica 5” o COSMA5, que se encuentra aquí en el centro de investigación. Esta supercomputadora tiene el poder de procesamiento equivalente a 10,000 laptops comunicándose a 5,000 Megabytes por segundo, trabajando al mismo tiempo para simular el universo. La simulación más grande del proyecto corrió en esta supercomputadora ¡por 3 meses continuos!

RM: Y el software específico que utilizáis para las simulaciones ¿Qué características tiene? ¿Cómo fue su desarrollo? Háblanos un poco de SKIRT.

JS: El código utilizado en la simulación está basado en el lenguaje de programación C. El cual es una versión “hecha en casa” del código GADGET (que se encuentra disponible al público de manera gratuita). Este código emplea la técnica de hidrodinámica de partículas suavizadas (SPH) para implementar las leyes de hidrodinámica utilizadas para modelar el gas cósmico, y la técnica de “N-cuerpos” para simular el efecto de la gravedad. Debido al gran tamaño de la simulaciones y complejidad de la implementación, la versión final del código tomó un tiempo de desarrollo de tres años.

Con las simulaciones EAGLE, podemos replicar como se verían las galaxias si las observáramos con telescopios reales. Para lograr esto, utilizamos el software SKIRT, el cual modela la luz emitida por las estrellas y como esta luz es absorbida por el gas antes de llegar a la tierra.

RM: ¿Qué parámetros usáis en las simulaciones? Imaginamos que la gravedad tendrá un papel destacado; y mucho más los agujeros negros.

JS: Por supuesto, la gravedad hace toda la magia. Entre los parámetros mas importantes en la simulación, están la densidad de materia obscura, que colapsa bajo las fuerzas gravitacionales para formar la estructura del universo. En estas estructuras, el gas cósmico también colapsa y se enfría para formar estrellas, las cuales a su vez forman las galaxias que observamos. Por otra parte, la energía obscura o “constante cosmológica” juega un papel importante, y es la responsable de la aceleración del universo. Otros aspectos como la explosión de estrellas en supernovas y el efecto de los agujeros negros “comiendo” el gas a su alrededor, regulan la formación de otras estrellas y por lo tanto afectan el tamaño de las galaxias.

RM: Respecto a esos últimos. ¿Hay varios tipos o se trata de un mismo fenómeno con tamaños distintos?

JS: Cuando los astrofísicos hablan de agujeros negros, regularmente se refieren a “dos sabores” por así decirlo. Los agujeros negros estelares, que se forman a partir de estrellas masivas, con una masa equivalente no mayor a algunas decenas la masa de nuestro sol. Por otro lado, los agujeros negros súper masivos, que residen en los centros de la mayoría de las galaxias (incluyendo nuestra propia Vía Láctea), y pueden tener una masa equivalente a miles o inclusive hasta billones de veces la mas de nuestro sol. Estos son el resultado de un complejo proceso evolutivo, en el que los agujeros negros crecen al absorber el gas a su alrededor y al mezclarse con otros agujeros negros.

RM: ¿Cómo contribuye vuestro trabajo para desvelar los secretos que éstos encierran? ¿Algún avance en esta línea?

JS: Cómo se forman los agujeros negros súper masivos, es aun un misterio para la astrofísica moderna. Los agujeros negros que observamos en los centros de las galaxias, pudieron haberse originado a partir de la primera generación de estrellas en el universo, o a partir de colisiones de estrellas masivas y/o agujeros negros estelares. Otras teorías proponen la formación de estos agujeros a partir de inestabilidades dinámicas en la estructura de la materia obscura. Sin embargo, determinar el mecanismo de formación de los agujeros negros súper masivos representa un reto observacional debido a que por definición, los agujeros negros son precisamente eso, negros, y no podemos observarlos directamente. Solamente podemos “observarlos” indirectamente por el efecto de la gravedad a su alrededor. Una de las maneras en que mejor podríamos discriminar entre los diferentes modelos de formación de estos agujeros negros y su naturaleza, es a partir de la detección de las ondas gravitacionales que estos producen al colisionar y fusionarse. Mi proyecto de investigación se basa en estudiar estos fenómenos y en estimar las señales que los futuros detectores de ondas gravitacionales podrían detectar basados en los diferentes modelos.

RM: ¿El tamaño del agujero negro influye en la evolución de las galaxias? ¿Algún patrón al concreto?

JS: En el universo, el tamaño de los agujeros negros súper masivos parece estar directamente relacionado con las galaxias en las que residen. A partir de observaciones, se ha calculado que la masa de estos agujeros parece tener una relación constante con la masa de la parte central (bulbo) de su galaxia. A partir de esta relación, podemos inferir que los agujeros negros súper masivos evolucionan conjuntamente con las galaxias. En nuestras simulaciones, a partir de un proceso conocido como “retroalimentación”, los agujeros negros interactúan con las galaxias al afectar el gas a su al redor y al anular la formación de estrellas.

RM: Es fácil imaginar que, entre las cuestiones más complejas a las que os enfrentáis, la formulación de la energía y de la materia oscura supone todo un rompecabezas. ¿Cómo logran simularlas?

JS: Aunqué aún no sabemos que es la materia obscura, creemos que es bastante simple, y podemos modelar sus efectos. La materia obscura, simplemente colapsa por las fuerzas gravitacionales y crea una estructura tipo red en el universo en la que el gas puede enfriarse y formar estrellas. En nuestras simulaciones, sabemos cuanta materia obscura debe de haber a partir de las observaciones del satélite Planck de la radiación de fondo de microondas CMB (por sus siglas en inglés).

En cuanto a la energía obscura, tampoco sabemos lo que en realidad es. En las simulaciones adoptamos la forma más simple de energía obscura, la cual es una constante cosmológica. A partir de las observaciones de supernovas lejanas, sabemos que la expansión del universo se está acelerando, y la energía obscura es la responsable de esta aceleración.

RM: En las simulaciones, ¿Os habéis centrado en alguna parte concreta y real del universo o son solo simulaciones ideales?

JS: Nuestras simulaciones están basadas en las distribución real de la materia cuando el universo tenía tan solo 380,000 años de edad, mucho antes de que las estrellas o las galaxias se formaran. Esta distribución está impresa en la luz más antigua del universo, que es la radiación de fondo de microondas. Utilizamos la información obtenida de las observaciones de esta radiación para recrear las condiciones iniciales en la simulaciones. Sin embargo, el propósito de las simulaciones es reproducir las propiedades estadísticas de las galaxias. Por ejemplo, cuantas galaxias hay en cierto volumen del universo, cual es su tamaño, color, etc., y no reproducir una parte concreta del universo. Similar a la forma en que podemos estudiar las propiedades estadísticas de la población en un país; como el rango de edades, sexo, etc., sin estudiar a ciertos individuos en particular.

RM: Respecto al desarrollo de las simulaciones, ¿contáis con soporte, colaboraciones o el apoyo de observatorios u otros centros análogos al vuestro? ¿De qué tipo?

JS: EAGLE es parte de Virgo Consortium, un gran proyecto colaborativo internacional, el cual está enfocado en realizar proyectos de investigación a cerca de la naturaleza y evolución del universo utilizando avanzadas simulaciones cosmológicas en supercomputadoras. Contamos con la colaboración de científicos en el Reino Unido, Holanda, Alemania, España, Canadá y Estados Unidos.

Con el uso de simulaciones numéricas como EAGLE, podemos estudiar nuestras teorías de formación y evolución de galaxias. Por lo tanto, colaboramos con astrónomos y observatorios, en diferentes partes del mundo para probar nuestros modelos con las observaciones del universo real.

RM: ¿Qué forma tiene el Universo y por qué? ¿A qué se asemeja?

JS: Es algo complicado. Existen diferentes modelos matemáticos de la forma del universo, algunos bastante complejos y difíciles de conceptualizar. Sin embargo, en principio, nosotros solo podemos observar una fracción del universo debido a que la velocidad de la luz es finita. Algunas partes del universo se encuentran demasiado lejos para que la luz emitida desde el Big Bang tenga suficiente tiempo para alcanzar la Tierra. Esto es conocido como horizonte de eventos. Por lo tanto no tenemos manera de saber, a ciencia cierta, que es lo que sucede mas allá de este horizonte.

Lo que si sabemos, es que nuestro universo observable es un volumen esférico centrado en el observador (nosotros), y el cual se está expandiendo de manera acelerada. Las galaxias son entonces, semejantes a hormigas caminando en la superficie de un globo que se está inflando, cada vez mas alejadas entre si. Cualquier otro observador en este esquema, vería algo similar.

RM: ¿Qué es el llamado árbol de fusión?

El árbol de fusión es una representación pictográfica de la historia de fusión de las estructuras de materia obscura conocidas como “halos”, en las que se forman y residen las galaxias. En el modelo cosmológico estándar, las estructuras que observamos en el universo se forman de manera jerárquica, es decir, primeramente se forman las estructuras mas pequeñas, para luego crecer y fusionarse para crear estructuras cada vez más grandes. En la imagen, el tiempo incrementa desde abajo hacia arriba. La masa de las galaxias en cada halo (representada con el color), aumenta conforme las estructuras se fusionan entre si.

RM: Para un científico a veces es difícil hacer llegar sus descubrimientos al público medio. ¿Dónde se divulga vuestro trabajo?

JS: Tengo la suerte de trabajar en cosmología, y específicamente con agujeros negros, lo cual siempre cautiva la imaginación del publico en general, y por lo tanto es relativamente fácil promover mi trabajo de investigación. Por otro lado, en el departamento de física en la Universidad de Durham, trabajamos continuamente por realizar proyectos de alcance; en los que organizamos ferias, exposiciones y otras actividades que promuevan la ciencia con el público en general de todas las edades.

RM: ¿Algo que quiera añadir para nuestros lectores?

JS: Solo agradecerles por la oportunidad y extender la invitación a todos aquellos que estén interesados en saber un poco más acerca de nuestro universo a que revisen la pagina del proyecto EAGLE, y que sigan las investigaciones realizadas en el Instituto de Cosmología Computacional a través de la cuenta de Twitter.

RM: Gracias por atendernos. Un placer conversar con usted.

JS: Gracias a ustedes, ha sido un placer.