Los cosmólogos están desarrollando simulaciones por computadora del universo diseñadas para ejecutarse en computadoras a exaescala. Estos modelos aprovechan estas supercomputadoras para proporcionar nuevos conocimientos sobre el pasado y el presente de nuestro universo.

Los científicos están desarrollando estas simulaciones para ayudarles a explorar algunas de las cuestiones más importantes de la física. Los cosmólogos saben que la materia oscura constituye aproximadamente el 85% de la masa del universo.

Sin embargo, todavía están trabajando para comprender cómo influye en la estructura del propio universo. La luz de las supernovas nos ha ayudado a comprender que el universo se expande a un ritmo más rápido cada año. Pero la "energía oscura" que está provocando esta expansión acelerada sigue siendo un misterio.

Las simulaciones utilizan datos de observación de telescopios que mapean el cielo actual para probar varias hipótesis sobre cómo evolucionó el universo. La Oficina de Ciencias del DOE respalda una serie de telescopios que captan enormes cantidades de datos. El primer lote de datos del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura en Arizona tiene información solo sobre dos millones de objetos celestes. Cuando la cámara Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Observatorio Vera C. Rubin comience a recopilar datos, tomará cientos de imágenes cada noche durante 10 años.

Los cosmólogos utilizan estos datos para crear mapas masivos del cielo que se extienden mucho más allá de lo que podemos ver en la Tierra. Estos "estudios del cielo" pueden ayudarnos a responder preguntas sobre la energía oscura, la materia oscura y otros fenómenos cósmicos. Las simulaciones también pueden ayudar a los científicos a descubrir las mejores estrategias para observar el cielo:dónde mirar, con qué frecuencia y a qué profundidad.

Más allá de analizar las observaciones actuales, los cosmólogos desarrollan simulaciones que les permiten crear muchas versiones diferentes del mismo universo. Cada versión se basa en diferentes suposiciones sobre cómo evolucionó el universo. Al comparar estas versiones con los mapas basados ​​en observaciones, los científicos pueden ver qué suposiciones pueden ser las más cercanas a la realidad.

El proyecto ExaSky se centró en desarrollar estas simulaciones para ejecutarlas en ordenadores a exaescala. Las computadoras a exaescala pueden realizar mil millones de billones de operaciones de punto flotante (una forma de cálculo) por segundo. En comparación, a todas las personas en el mundo les llevaría resolver problemas matemáticos durante cinco años seguidos para completar una cantidad similar de cálculos a mano.

Frontier en Oak Ridge Leadership Computing Facility (una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE) fue la primera computadora a exaescala que entró en funcionamiento en mayo de 2022. La próxima, Aurora en Argonne Leadership Computing Facility (otra instalación para usuarios), se lanzará pronto.

Estas computadoras tienen tanto el rendimiento como la memoria para manejar las enormes cantidades de cálculos y datos producidos por las simulaciones. Además del soporte para las instalaciones de los usuarios, la Oficina de Ciencias también apoyó a ExaSky a través del Proyecto de Computación Exaescala y el programa Descubrimiento Científico a través de Computación Avanzada.

Afortunadamente, los científicos de ExaSky no empezaron desde cero. Este proyecto se basó en dos conjuntos principales de códigos informáticos que impulsaron simulaciones anteriores. Los códigos simulan cómo se formaron y organizaron miles de millones de galaxias en lo que los científicos llaman la red cósmica. Los programas incluyen parámetros sobre la estructura y la física de las galaxias individuales, así como sobre cómo interactúan entre sí y con la materia oscura a través de la gravedad.

Los científicos del proyecto ExaSky actualizaron estos códigos para aprovechar al máximo las capacidades de las computadoras a exaescala. Las computadoras a exaescala utilizan unidades de procesamiento gráfico (GPU), similares a las utilizadas para los gráficos de los videojuegos, para el procesamiento, además de unidades centrales de procesamiento (CPU), como en una computadora portátil típica. Adaptarse a esta forma diferente de hardware a menudo requiere revisiones sustanciales de los códigos.

Pero ejecutar estas simulaciones en computadoras a exaescala tiene grandes ventajas. Estas computadoras pueden ejecutar simulaciones muy grandes mucho más rápido. Esta velocidad les permite acortar el tiempo para responder ciertos problemas de meses a horas. También les permitirá abordar nuevas cuestiones que antes habrían sido imposibles de abordar.

Además, los programas ExaSky pueden simular una amplia gama de escalas, desde el tamaño de las galaxias más pequeñas hasta una distancia de menos de una quinta parte del camino hasta el borde del universo observable. Eso es un rango en escala de 1 a 10 millones.

Las computadoras a exaescala también están permitiendo a los científicos desarrollar nuevos modelos que pueden describir procesos que las simulaciones actuales no pueden incluir. Por ejemplo, los núcleos galácticos activos son áreas en los núcleos centrales de las galaxias que emiten radiación. Lo más probable es que los agujeros negros supermasivos los causen.

Si bien estos núcleos galácticos activos son millones de veces más masivos que nuestro sol, los procesos que los forman todavía están en una escala demasiado pequeña para incluirlos en las simulaciones actuales. Las simulaciones de ExaSky podrán incluir estos fenómenos utilizando modelos aproximados.

Las preguntas más importantes de la cosmología y las estructuras más grandes del universo son difíciles de entender para los humanos. Los científicos que utilizan computadoras a exaescala para ejecutar simulaciones están brindando información sobre el pasado, el presente y el futuro de nuestro universo.