10/Jun/04

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Tecnología informática para simular la evolución del universo

Al igual que los videojuegos que reproducen diferentes escenarios y personajes vibrando al ritmo de algún guión, la astrofísica numérica —una joven rama de la astronomía— se sirve de herramientas informáticas para crear realidades virtuales que tienen como protagonistas a las galaxias.

(FCEyN) A fines de febrero se logró registrar la imagen de la galaxia más lejana jamás identificada, a 13.000 millones de años luz de la Tierra, gracias a la capacidad del Telescopio Espacial Hubble y del observatorio Keck. Debido a la distancia que nos separa de esta giganta del espacio, las imágenes que se tienen de ella están dando cuenta de la infancia del universo. Pero nada se sabe de los avatares por los que ha pasado durante los 13.000 millones de años que han transcurrido desde el momento en el que se la ha podido "fotografiar” desde la Tierra.

Uno de los grandes desafíos de la astronomía actual es tratar de encontrar los procesos y conexiones evolutivos que ligan a las galaxias de ayer y de hoy. Pero para desandar la historia universal no alcanza con los resultados aportados por las observaciones, porque las imágenes obtenidas mediante telescopios y radiotelescopios sólo dan cuenta de un momento de la añosa existencia de estas estructuras. Todos los mensajes de los astros —luz visible u otras frecuencias electromagnéticas— que recibimos en la Tierra llegan después de haber viajado inmensos trayectos (miles de años luz). Por lo tanto, cuando logramos "ver” algo, eso que vemos ya ha cambiado.

Para estudiar esos cambios la astrofísica numérica –una joven rama de la astronomía– se sirve de herramientas informáticas con las que puede simular la evolución de las galaxias (compuestas de gas, polvo, miles de millones de estrellas y mucha materia oscura).

Realidad virtual

Quienes trabajan en esta área de la astronomía pasan la mayor parte de sus jornadas escribiendo innumerables líneas de código en algún lenguaje de programación que les permita cincelar las diferentes regiones del Cosmos que desean escudriñar.

"Para hacer las simulaciones hay que asumir un modelo cosmológico, las condiciones iniciales y luego establecer cuáles son los procesos físicos que van a dominar la evolución de la materia en el universo”, introduce Patricia Tissera, doctora en astronomía e investigadora del Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, Conicet-UBA). En particular, lo que estudia Tissera junto a su equipo es la formación y evolución de galaxias.

Los algoritmos que utilizan son como el guión del film, mientras que la teoría y los resultados observacionales (las diferentes "fotografías” que se han tomado de formaciones galácticas) son el argumento de la historia que los métodos numéricos intentan recrear.

Antes de aventurarse en la realización de una simulación cosmológica, hay que asegurarse de que lo que se filmará será lo más parecido posible a aquello que sucedería ante nuestros ojos si estuviéramos en el lugar del acontecimiento. Para lograr eso, lo que primero se hace es reproducir lo que ya se conoce de manera certera sobre el hecho en cuestión. Para ello, los astrónomos simulan situaciones ya observadas (una galaxia en alguna etapa de su evolución). Si las simulaciones dan como resultado un objeto con propiedades similares al observado, esto quiere decir que las hipótesis asumidas son probables y que el código numérico está bien integrado. Una vez que se ha pasado esta primera prueba, se puede seguir avanzando cautelosamente sobre el territorio virtual en el que se proyectarán aquellos fenómenos a los que no se puede acceder en forma directa.

"Las simulaciones permiten filmar la película. Pero después hay que comprobar qué tan realista es esa película. Puede haber una imagen de una parte de la película que faltaba, entonces eso ayuda a mejorarla. Y al revés, la película puede permitir hacer predicciones de una fotografía que todavía nadie sacó”, metaforiza la investigadora.

El universo "paralelizado”

"Lo que nosotros hacemos es tomar un volumen grande, de diez megaparsec de lado por ejemplo (un parsec es equivalente a 3,3 años luz aproximadamente) y lo dividimos en unidades tridimensionales”. Esta división a la que se refiere la astrónoma se realiza con una especie de grilla cúbica que se extiende sobre la porción del universo elegida.

"La masa que cae en cada celda (de aproximadamente 100.000 soles) se asocia a una partícula que contiene toda la información física necesaria para desarrollar el modelo deseado: la temperatura, la presión, la densidad, la velocidad, la posición, el tipo de material que contiene (materia oscura, gas o estrellas) y todas las variables que sean necesarias de acuerdo al fenómeno que se quiera estudiar”, explica Cecilia Scannapieco, licenciada en física de la UBA e integrante del equipo de investigación de Tissera.

Con las diferentes ecuaciones ensambladas en el código numérico se puede seguir el movimiento y el cambio de propiedades de la materia en cada una de las partículas estudiadas a lo largo del tiempo.

La cantidad de partículas con las que se trabaja está dada por el poder de procesamiento del que se disponga. Actualmente Tissera trabaja con un millón de partículas, una cantidad nada despreciable, aunque todavía escasa en relación con los varios millones de partículas que integran las simulaciones que se realizan en centros especializados que cuentan con más recursos económicos.

Para llevar a cabo este tipo de cálculos magnánimos es necesario desarrollar la programación en paralelo, una manera de programar en la que se piensa a las computadoras no como ejemplares individuales sino como partes de una única supercomputadora: esto es lo que se llama en la jerga informática "paralelización”.

La clave de la paralelización está en la forma de repartir recursos y trabajo inteligentemente, de manera que el resultado sea mucho más que la suma de sus partes. Esta arquitectura dinámica permite adecuar la configuración del grupo de computadoras a las necesidades y posibilidades de cada momento, para ganar en velocidad y eficiencia.

En este momento Tissera cuenta con un cluster (grupo) de ocho computadoras en el IAFE y tiene acceso a otro de cuarenta del Instituto de Astrofísica Max Planck (Garching, Alemania).

Estos códigos que hacen trabajar mancomunadamente a diferentes computadoras en pos de un objetivo común son una de las novedades que se vienen anunciando hace años en el ambiente tecnológico y que, parece, están revolucionando el mundo de la información. Por eso Tissera tiene muy claro que toda la tecnología de código que están desarrollando en astronomía será beneficiosa para una comunidad mucho más amplia que la astronómica.