NeoFronteras

Usan Relatividad General para simular la evolución de la estructura a gran escala del Universo.

Los físicos tienen varias “lenguas” o más bien teorías para describir la realidad. A veces incluso no tienen la adecuada para describir ciertos fenómenos, como el mismo comienzo del Big Bang o la singularidad de un agujero negro, algo que se podría hacer con una teoría de gravedad cuántica de la que carecemos.

La mecánica newtoniana nos permite describir muy bien el mundo cotidiano, casi todos los aparatos que nos rodean están diseñados bajo esa teoría, incluidos nuestros automóviles, al fin y al cabo, estos no se mueven a velocidades relativistas.

Naturalmente podemos usar la Relatividad Espacial para describir el movimiento de nuestro automóvil, pero los resultados de esos cálculos sólo diferirán de los newtonianos en unos lejanos decimales que a nadie le importan.

Pero si queremos usar la localización GPS no nos queda más remedio que usar mecánica relativista, pues esta introduce correcciones que en ese caso sí contribuyen a nuestras necesidades. Incluso se pueden usar correcciones proporcionadas por la Relatividad General (RG) si se desea.

Supongamos ahora que queremos describir el origen y evolución del Universo en su conjunto, disciplina a la que llamamos Cosmología. Para el momento cero del Big Bang y poco más, los fenómenos cuánticos serían tan importantes que necesitamos de una teoría cuántica de la gravedad, algo de lo que carecemos. Se supone que esa teoría eliminaría la singularidad inicial predicha por la Relatividad General, que es una teoría clásica (pero no newtoniana).

Como ya sabemos, la Relatividad General considera al espacio-tiempo como algo dinámico y no solamente un marco en donde suceden las cosas.

Para tiempos posteriores podemos usar la Relatividad General siempre y cuando consideremos que el Universo es lo suficientemente homogéneo e isótropo. En este caso podemos predecir la geometría del espacio-tiempo para un tiempo arbitrario, pero no nos fijamos en ningún detalle. En otras palabras, no hay galaxias ni ningún tipo de estructura, sólo un relleno homogéneo que contribuye con una masa y una cantidad de movimiento.

Ahora imaginemos que han pasado unos cuantos cientos de miles de años tras el Big Bang y queremos saber cómo se forman en detalle las grandes estructuras del Universo, es decir, las galaxias y cúmulos de galaxias. Para esta tarea normalmente se desprecian los efectos relativistas de cualquier tipo y se emplea mecánica newtoniana.

En este tipo de simulaciones se usan miles de millones de partículas que corresponde a la materia oscura y ordinaria de un trozo de universo (generalmente un cubo). Además, se introducen las características térmicas y la interacción gravitatoria entre esas partículas. Es como el ejemplo del coche que hemos visto antes, no hace falta meter mucho más, pues en estas simulaciones se asume que las partículas que componen el Universo en evolución no van a más de 300 km/s.

A este modelo se le denomina (CMD, cold dark matter) porque las partículas de materia oscura se mueven despacio (es materia oscura fría), así que la mecánica newtoniana debe de ser suficiente.

Este tipo de simulaciones son capaces de proporcionar un universo en pequeñito capaz de recrear las estructuras a gran escala que vemos en la realidad, por eso se está tan seguro de la existencia de materia oscura, pues es un ingrediente fundamental de este tipo de modelos. Si no se mete la materia oscura (fría) no se reproducen las estructuras que vemos.

Sin embargo, en este tipo de modelo no se describe las fluctuaciones de la energía oscura, que, tal y como se sospecha, supone el 70% de toda la energía del Universo en la actualidad y es la responsable de la expansión acelerada.

La estructura a gran escala del Universo es como una gigantesca tela de araña en la que la materia (galaxias) se agrupa en filamentos y en donde hay grandes espacios vacíos. También se la puede ver como algo similar a la espuma jabonosa, en donde la mezcla de jabón y agua la forman las galaxias y el aire son esos espacios vacíos.

El problema es que dentro de poco sí vamos a poder observar este tipo de estructuras a una escala sin precedentes gracias al Large Synoptic Survey Telescope (en Chile) o gracias a la misión Euclides de la ESA. Las aproximaciones newtonianas posiblemente no puedan reproducir ese nivel de detalle, pero estrictamente aún no lo sabemos.

Así que dentro de poco tendremos mejores datos reales que no podremos contrastar con los modelos. Lo ideal sería introducir estas correcciones relativistas en los modelos.

Además, pudiera ocurrir que la energía oscura tuviera efectos relativistas que se pudieran medir o que tuviera una dinámica hasta ahora no considerada. Si fue así las predicciones newtonianas, que han funcionado bastante bien hasta ahora, no tendrían suficiente precisión y la diferencia con las observaciones nos podrían decir algo de esta energía oscura.

No todo el mundo está de acuerdo en que se necesite pasar a modelos relativistas en este caso, como Joachim Harnois-Déraps (Institute for Astronomy at the Royal Observatory, Edimburgo). Además muchas cosas pueden ir mal en este tipo de simulaciones. Incluso puede haber microdetalles que den al traste con este tipo de simulaciones. Así por ejemplo, Markus Haider (Universidad de Innsbruck) ha mostrado que los chorros de los agujeros negros son suficientes como para empujar gas hacia los espacios vacíos.

Si a un físico se le hubiera preguntado hace un año si se puede usar la Relatividad General para predecir la estructura a gran escala del Universo, habría contestado que es imposible. Básicamente las ecuaciones de Einstein tienen una dificultan horrorosa para poderse resolver. Analíticamente sólo se han resuelto unos pocos casos y numéricamente se necesita una potencia computacional descomunal para casi cualquier situación. Considerar la interacción gravitatoria relativista de miles de millones de partículas es algo así como espantoso.

Pues bien esto es precisamente lo que han hecho un grupo de físicos suizos y sudafricanos liderados por Julian Adamek (Observatorio de París).

Se pueden introducir, además, fenómenos complejos como la rotación del espacio-tiempo (efecto de arrastre del marco de referencia) y calcular cosas como la amplitud de las ondas gravitacionales primordiales.

En esta simulación han conseguido computar la evolución de la estructura a gran escala del Universo y calcular la métrica de Friedmann–Lemaítre–Robertson–Walker, métrica que proviene de resolver las ecuaciones de campo de Einstein de la Relatividad General. Es un gran logro en cuanto a simulación y programación.

Resolver sistemas de ecuaciones diferenciales no lineales en derivadas parciales es muy complicado. Para ello usan la librería LATfield2, que permite hacerlo numéricamente.

Necesitaron de los 115.000 procesadores de un sistema del Centro de Supercomputación Suizo de Lugano, que son bastante más de los 25.000 que se utilizan normalmente en las simulaciones newtonianas.

En este modelo se considera un cubo de espacio que consta de 60.000 millones de zonas que contienen partículas (trozos de galaxia).

Todavía es pronto para saber si este tipo de simulaciones merecen la pena. En el gráfico de cabecera se observa un cubo de 512 Mpc con un corrimiento al rojo de z=0. Lo halos de materia oscura están representados en naranja. En el cubo de la izquierda se aprecia una perturbación tensorial con esferas verdes que parece corresponderse a una onda gravitacional a escala cosmológica. En la parte de la izquierda aparece una perturbación vectorial.

En este vídeo se pueden apreciar todo ello con más detalle:

El código se hará público para que cualquier grupo de investigación que tenga el suficiente poder computacional pueda correr este tipo de simulaciones y testar la RG a escalas no consideradas hasta ahora, comparar con los modelos newtonianos y, quizás, descubrir, nuevos fenómenos al contrastar con las medidas reales.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Artículo en ArXiv I.
Artículo en ArXiv II.