• En el Centro de Radioastronomía y Astrofísica
de la UNAM, Enrique Vázquez Semadeni utiliza las ecuaciones
de hidrodinámica de gases para estudiar el medio interestelar
y sus efectos en el nacimiento de estrellas
• A una escala mayor, Gilberto Gómez Reyes genera modelos
de galaxias completas y analiza los brazos espirales, zonas de intensa
formación estelar
• Ambos compartirán un clúster en el nuevo Laboratorio
de Cómputo de Alto Rendimiento, que se construye en el campus
Morelia
Inalcanzables para el ser humano por su colosal
tamaño y distancia, las estrellas y galaxias que abundan en el
Universo representan un desafío científico para los astrónomos.
Para entender cómo se forman las nubes
de las que nacen las estrellas y aproximarse a cómo es una galaxia
completa con sus regiones de formación estelar, en el campus
Morelia de la UNAM Enrique Vázquez Semadeni y Gilberto
Gómez Reyes, investigadores del Centro de Radioastronomía
y Astrofísica (CRyA), modelan con supercómputo su formación
y desarrollo.
Vázquez, también jefe del Departamento
de Cómputo del CRyA, simula, dentro de un cubo de 800 años-luz
por lado, la formación de nubes de las que nacen las estrellas,
y que adoptan formas muy irregulares, y frecuentemente filamentarias.
En tanto, Gómez ejemplifica con una figura parecida a un rehilete
en movimiento, la estructura de una galaxia completa, donde distingue
brazos espirales, sitios de formación estelar.
Meteorología a escala galáctica
Ambos estudian el gas intragaláctico,
que está dentro de las galaxias y entre las estrellas que las
forman. Le llaman medio interestelar y lo comparan con la atmósfera
terrestre. “Nos interesa modelar los efectos de ese fluido a varias
escalas, desde la formación individual hasta el complejo entero”,
resumió Vázquez.
Modelarlo en la computadora es parecido a lo
que hacen los meteorólogos en nuestro planeta, que simulan el
movimiento de la atmósfera terrestre para predecir dónde
se forman nubes, lluvia o nieve. Los astrónomos del CRyA aplican
las mismas herramientas y ecuaciones de la hidrodinámica.
“La mejor forma de imaginar nuestro trabajo
es decir que hacemos meteorología a escala galáctica,
en donde el equivalente a las gotitas de lluvia son estrellas como nuestro
Sol”, ejemplificó.
En el espacio hay nubes gigantes que miden
decenas o hasta centenas de años luz. Si se vuelven de tormenta
(muy densas), sueltan condensaciones, que son estrellas y sistemas solares
como en el que vivimos, especificó.
La fuente de datos para el modelaje son ecuaciones
que se resuelven numéricamente con cómputo muy potente.
Develan el comportamiento de una determinada región a lo largo
de cierto periodo, que corresponde a decenas o hasta centenas de millones
de años.
“Las condiciones iniciales con las que
hacemos los cálculos las tomamos de datos reales que se obtienen
con astronomía observacional. Tomamos esa información
como punto de partida para el cálculo numérico y dejamos
que evolucione para entender cómo procede el fenómeno
de formación”, detalló.
De simulación a realidad
Gilberto Gómez trabaja a una escala
mayor, pues le interesa describir la galaxia completa, aunque se enfrenta
a uno de los principales problemas de la astronomía: determinar
distancias. “Es difícil y las incertidumbres son grandes.
Por ejemplo, si tenemos una nube alargada vista de frente, se complica
distinguir esa forma de una esférica, aunque sus implicaciones
son importantes en la realidad”, reveló.
Aunque a veces parte de datos reales para desarrollar
las simulaciones, a Gómez le gusta también ensayar el
proceso inverso y comenzar con una simulación, para luego cotejarla
con la realidad. “Así podemos poner a prueba las suposiciones
que la gente utiliza para determinar propiedades físicas”,
indicó.
Por ejemplo, añadió Vázquez,
la Teoría de Formación de Estrellas tradicionalmente ha
considerado que las nubes que derivan en aquéllas son sistemas
en equilibrio, como el Sol. “Pero nuestras simulaciones de los
últimos cinco años sugieren que las nubes están
lejos del equilibrio, y defendemos la idea de que están en caída
libre. Aún somos minoría los que pensamos así,
pero la idea poco a poco permea en la comunidad astronómica”.
Antes, los expertos veían al Universo
sólo como una fotografía instantánea y, por ello,
las primeras teorías describían las cosas como estáticas.
“Ahora podemos simular en la computadora la evolución durante
40, 50, 200 ó mil millones de años, y nos percatamos que
las cosas son muy dinámicas en una escala de tiempo mucho más
larga que la vida humana”, agregó.
Modelaje en computadora
Para explicar la simulación, Gómez
la compara con canicas. “Si las aventamos de una cubeta, corren
por el piso; algunas llegan a una pared, otras brincan o chocan entre
sí. Entre más numerosas y chiquitas son, más se
parecen a un fluido”, dijo.
Cada canica sería como un pixel: entre
más pequeño, ayuda mejor a construir una imagen con mejor
resolución. Con la capacidad creciente de cómputo, las
canicas se han hecho más chiquitas y se parecen más a
un fluido real, lo que permite simular un fenómeno con claridad.
En su trabajo, el universitario busca entender
cómo es una galaxia completa y dónde están distribuidas
las nubes.
“Me interesa poner a prueba los métodos
para medir distancias y saber si son correctos o no, y eso tiene que
ver con la estructura de la galaxia a gran escala, con los flujos y
cómo se mueve el gas alrededor”.
Nuestra galaxia es básicamente un disco
delgado y alargado, en el que los “ingredientes” (estrellas
y gas) se desplazan en movimientos más o menos circulares.
“Pero las pequeñas desviaciones
de esos movimientos tienen grandes implicaciones en las distancias que
se les miden, o en la formación de las nubes. La autogravedad
del gas y de las estrellas que forman el disco produce brazos espirales,
barras, cúmulos grandes de estrellas o de gas, donde se da la
formación estelar”, explicó Gómez.
Describió a los brazos espirales como
“embotellamientos de tránsito a escala galáctica”,
sitios donde las estrellas se amontonan y producen exceso de gravedad,
que causa que el gas caiga, se amontone y forme regiones de alta densidad,
es decir, sitios donde se forman nuevas estrellas.
Sus estudios brindan una idea de la topografía
de la galaxia y permiten saber qué material cae y se amontona,
para dónde va y cómo será su forma.
Mientras en su investigación Gómez
va de escalas grandes a pequeñas en la galaxia, Vázquez
analiza a la inversa, y ambos convergen a la escala de los brazos espirales.
Trabajo numérico
Para su investigación, los astrónomos
realizan trabajo numérico. “Utilizamos casi siempre las
mismas ecuaciones, pero le pasamos la chamba a las computadoras, que
generan grandes listas de números que luego debemos interpretar”,
comentó Vázquez.
Con esas ecuaciones, cambian las condiciones
iniciales o “las reglas del juego” para encontrar galaxias
y nubes de diferentes tipos y ver su evolución a lo largo del
tiempo. Además de las operaciones referentes a fluidos, comienzan
a incluir en la simulación el transporte de la radiación,
para saber cómo ésta se propaga en el gas, y sus efectos
sobre el mismo.
La visualización es fundamental en este
trabajo. En sus resultados numéricos, la computadora genera miles
de millones de números (un gigabyte son mil millones de números)
y los investigadores requieren transformarlos en imágenes científicas,
que brinden una idea de la forma y, a la vez, contengan información
analítica.
“La capacidad del ojo humano para reconocer
patrones todavía supera por mucho a las computadoras. A veces
necesitamos observar imágenes de los datos para ver las nubes,
elegir una y luego comenzar a medir sus propiedades, como por ejemplo,
su masa y temperatura. Visualizar es fundamental para saber qué
ocurre y para mostrar los resultados”, destacó.
Cómputo de alto rendimiento
El poder de cómputo crece exponencialmente
y eso queda claro en el aumento de capacidad que ha logrado el CRyA
en los últimos años.
En 2003, el CRyA compró su primer clúster,
un conjunto de computadoras que trabajan en paralelo y tenía
16 procesadores. Para 2005 lo crecieron a 32, y en 2010, lo reemplazaron
con lo que llaman la minisupercomputadora, con 176 procesadores.
“Ahora crece de nuevo, y pronto tendrá
en operación 272, para dar servicio principalmente a nuestro
grupo de investigación. Junto con los demás servidores
del CRyA, se albergará en el Laboratorio de Cómputo de
Alto Rendimiento”, finalizó Vázquez.
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