simulant l'evolució de l'univers
TRANSCRIPT
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