Simulant l’Evolució de l’Univers

ICE (Institut de Ciències de l’Espai, IEEC-CSIC)

Pablo Fosalba

Barcelona, 21 Nov 2008

➣ Estudia l’univers globalment

evolució: determinada només per la llei de la gravetat

“forma” (topologia): estan conectades diferents parts de l’univers ? independent de la llei de la gravetat

Què és la cosmologia ?

Què és l’astrofísica ?

➣ Estudia els fenòmens físics del contingut de l’univers

determinat per les lleis de la física

inclou des de les estrelles, planetes, galaxies, estudi de la radiació emesa pels diversos objectes astronòmics, etc.

Què en sabem del cosmos ?

Teoria del Big Bang: té tres fonaments

Teoria de la gravetat d’Einstein (1926):

“la gravetat és una distorsió de l’espai i el temps produida per la materia”

…corregeix la teoria de Newton (1680)en casos extrems

Què en sabem del cosmos ?

Teoria del Big Bang: té tres fonaments

Principi Cosmològic:

“l’univers és homogeni e isòtrop a grans escales”

densitat de galaxies(fluctuacions ~ 0.1)

temperatura de laRadiació Cósmica de Microones (fluctuacions ~ 0.00001)

Què en sabem del cosmos ?

Teoria del Big Bang: té tres fonaments

L’univers s’expandeix (Hubble 1929): Velocitat = H x Distancia

“les galaxies s’allunyen a una velocitat que és proporcional a la distanciaque es troben respecte a nosaltres ”

…en realitat el ques’expandeix ésl’espai mateix

quan més llunyà ésl’objecte del querebem llum a la terra,més “vermellós” elveiem (distorsió perexpansió)

ritme expansió univers

Res no viatja més rapid que les oneselectromagnètiques !

Velocitat = C = 300.000 km/segonexemples: llum visible, ones radio, SMS,…

A

B

C

temps = d/C

2 x temps

3 x temps2 x d

3 x d

distancia = d

SMS

Res no viatja més ràpid que les oneselectromagnètiques !

Velocitat = C = 300.000 km/segon

Llum de les Galaxies A

B

C

temps = d/C

2 x temps

3 x temps2 x d

3 x d

distancia = d

Reconstrucció història de l’univers

Galaxias

Historia del temps

* Gran explosió(instant inicial)

* Inflació Còsmica(fracció de segon)

* Desacoblamentmateria-radiació(400.000 anys)

* Formació àtoms(500.000 anys)

* Formació primeresestrelles(400 millions anys)

* Formació galaxies(2.000 millions anys)

* Expansió accelerada(5.000 millions anysi fins avui)

Edat actual univers: 14.000 millions anys

Radiació Cósmica de Microones

Aquest procés de formació de galaxies percolapse gravitacional és molt complex i durauns 13.600 mil·lions d’anys.Nosaltres ho podem simular en només unsdies fent ús d’un superordinador !

Aquesta radiació ens arriba sensevariació, després de viatjar durant 13.600mil·lions d’anys

De què està fet l’univers ?

Materia normal 5%

Materia fosca 25%

Energia fosca 70%

Planetes

Estrelles

Energia fosca

Materia fosca

Hidrogen iHeli lliures

“PastisCòsmic”

Materia Fosca (primeres evidencies: Oort, Zwicky 1930)

a 300 Mil.lions anys-llum

Cúmul de galaxies de “Coma”

20 Mil.lions-anys llum

a 3 mil.lions-anys llum

Corba de rotació de galaxies:Quelcom falla, es necessita més materia de la que es veu!

galaxia M33

Altres evidencies: lents gravitacionals, distribució de galaxies a grans escales, radiació còsmica de microones, etc.

“Materia que només gravita, pero no emet llum” N’hi ha unes 5 vegades més que materia normal

Energia Fosca (primeres evidencies: Riess, Perlmutter 1998)

Explosions d’estrelles(Supernovas):La seva llum és més feble delque esperariem d’un universamb expansió a ritme constant

Altres evidencies (més indirectes): comparació entre la distribució de galaxias i la radiació còsmica de microones

“Energia que exerceix una “força gravitacional de repulsió”,a escala cosmòlogica, i que provocal’expansió accelerada de l’univers”

Es la forma dominant d’energia-massaa l’univers (un 70% del total).

Simulacions Numèriques

Com hem après tot el que sabem de l’univers ?

Observacions amb telescopis

SimulacionsnumèriquesTeories i models

BSC

➣ Projecte del nostre grup a l’ICE per desenvolupar grans simulacionsnumèriques en cosmologia fent ús del supercomputador Marenostrum

10.000 processadors, 20 TB RAM , 100 Teraflops (actualment utilitzem el40% de tot el Marenostrum = 4000 processadors)

Codi GADGET: simulacions d’interacció gravitacional entre N-particules N = milers de mil.lions de particules (quasi 1011 particules), en volums que representen el tamany de l’univers observable

Terabytes de dades simulades amagatzemades al Port d’InformacióCientífica de Barcelona. Aquest volum de dades és un problema!

➣ Equip Simulacions (10 persones):P.Fosalba, F.Castander, M.Crocce, E.Gaztañaga, M.ManeraC.Baugh, A.Cabré, A.Gonzalez, J.Miralda-Escudé,V.Springel

➣ Visualitzacions: S.Serrano, J.Carretero

Projecte MICE

Com es fa una simulació cosmològica ?Visió general…

Parametres simulaciónúmero de partícules,volum de “l’univers”,…

Condicions inicials (~ inflació còsmica)posicions i velocitats de les partículesen l’univers primordial

Paràmetres cosmòlogicsdensitat de materia fosca, demateria normal, d’energia fosca,geometria de l’espai,..

Força de laGravetat temps tN: noves posicions i velocitats

Força de laGravetat temps t2: noves posicions i velocitats…

Força de laGravetat temps t1: noves posicions i velocitats

…i comparem el resultat de la simulació, a diferents tempscòsmics, amb les dades observacionals

Codi Numèric

Com es fa una simulació cosmològica ?En detall…[Part 1]

Assumim que, per la materia fosca, la gravetat és la unica forca rellevant Relativitat general…llei de Newton en univers en expansió és suficient per lamajoria de casos Les partícules de materia fosca no poden col.lisionar entre elles (materia no-colisional) N’hi ha tantes partícules a l’univers que és millor descriure’l com un “fluid”

Equació de Boltzmann

Aproximem el “fluid” per un nombre gran de particules (N) que el “mostregen” (Montecarlo)

3N equacionsdiferencials acoblades…

Com es fa una simulació cosmològica ?En detall…[Part 2]

Volem particules de massa petita per assolir una gran resolució Volem volums molt grans, comparables a l’univers observable

“Houston, tenim un problema…”

Necessitem N granon N és el número de partícules

“Houston, encara tenim un problema…”

Per calcular les forces necessitem N2 operacions (N=109,1010)

Necessitem un super-computador…

Com es fa una simulació cosmològica ?En detall…[Part 3]

Mètode intel.ligent per calcular les forces o

com podem batre al gran N2

força total = força grans escales + força a petites escales

algorismeParticula-Malla…Transformada de Fourier

algorisme“Arbre”…agrupa particulesdistants

força per particula te nomes log(N) termes

N2 N log(N)N=109 1018 9 x109 estalviem 108 operacions

Quanta memòria necessito ?(transparència per informàtics!)

Memòria total [per partícula] =Memòria càlcul de Forces + Coordenades partícula =

64 bytes + 44 bytes = 104 bytes/partícula

109 partícules 100 Giga-bytes

1011 partícules

50 processadors

10 Tera-bytes 5000 processadors

actualment executant aquesta simulació al Marenostrum!

Temps estimat per completar la simulació:30 dies amb 5000 processadors =410 anys amb un únic processador

Evolució de les simulacions numèriques amb els anys

Formació de la malla còsmica

13.7 Giga-anys 13 Giga-anys 12.5 Giga-anys

12 Giga-anys 10.5 Giga-anys

8 Giga-anys 5 Giga-anys Univers actual

11 Giga-anys

Formació de la malla còsmica

Comparant amb els catàlegs de galaxies…

Amb quines observacions compararem les nostres simulacions ?

Dark Energy Survey (Previst pel 2011) Nou catàleg de galaxies(300 mil.lions) en un 15% del cel Càmara de 500 Megapixels, telescopi a Chile Mesurará les propietats de l’Energia fosca utilitzant 4 tècniques diferents

Physics of the Accelerating Universe(PAU). Previst pel 2011 Nou catàleg de galaxies(100 mil.lions) en un 20% del cel Càmara de 500 Megapixels, telescopi a Terol Mesurará les propietats de l’Energia foscautilitzant una única tècnica, pero amb gran precisió

Satel.lit PLANCK (Agencia EspacialEuropea). Previst pel 2009 Mapes de la radiació cósmica de microones avaries frequencies Mesurará varis paràmetres cosmòlogics ambgran precisió

Per a que serveix una simulació cosmològica ?

En general….

permet coneixer l’origen I l’evolució de l’univers

permet validar teories i interpretar dades observacionals

En concret…

determinar fins a quin punt la llei de la gravetat és correcte

quins processos van tenir lloc a l’univers primordial

mesurar paràmetres cosmològics (quantitat de materia fosca, materia normal(bariònica), energia fosca, geometria de l’espai, etc…

Algunes adreces interessants per conèixer més …

Iniciació a la Cosmologia

Simulacions

Projectes Observacionals

map.gsfc.nasa.gov/universewww.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm

Projecte MICE: www.ice.cat/mice Codi numèric Gadget: www.mpa-garching.mpg.de/gadget Mètodes numèrics: www.amara.com/papers/nbody.html#tpm

Catàlegs de Galaxies www.sdss.org www.darkenergysurvey.org www.ice.csic.es/research/PAU

Radiació còsmica de microones map.gsfc.nasa.gov www.rssd.esa.int/index.php?project=planck

Material addicional

Representació de l’univers en capes esfèriques “Onion Universe”

Planeta Terra