Las teorías de Einstein son posibles con servidores de supercomputación

Agujeros negros

Durante 90 años, los físicos han tratado de resolver las ecuaciones que constituyen la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, el concepto de que materia, espacio y tiempo están entrelazados. No obstante, algunas de las ecuaciones abstractas de Einstein han demostrado ser demasiado complicadas para ser calculadas con fiabilidad utilizando software y hardware tradicionales, asegura Silicon Graphics.

“Hasta ahora esto ha sido así. Sin embargo, gracias al ingenio de los científicos de la NASA y a la potente tecnología de computación de Silicon Graphics, este conjunto de problemas difícilmente computables se está reduciendo”.

Recientemente, físicos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA (NASA Goddard Space Flight Center) han simulado con éxito la fusión de dos agujeros negros masivos orbitando uno alrededor del otro. Se trata de un acontecimiento histórico, ya que durante décadas los físicos no han podido lograrlo. Contando con la capacidad del Columbia (el supercomputador más grande de la NASA equipado con 20 sistemas SGI Altix), el equipo de Goddard pudo simular la colisión de agujeros negros despidiendo las ondas gravitacionales que se ondulan en el tejido del espacio.

Variaciones sobre 24 ecuaciones basadas en la teoría de la relatividad de Einstein han ayudado a crear la simulación de colisión de agujeros negros con la misma masa, un suceso cuyos efectos pueden continuar durante años. El cálculo de agujeros negros continúa siendo el mayor cálculo astrofísico que se ha ejecutado jamás sobre un computador de la NASA, el equivalente a 18 años de CPU dedicados a un único problema.

“Estas fusiones son los sucesos más potentes que se producen en el universo, generando cada uno de ellos más energía que todas las estrellas del universo juntas”, ha declarado Joan Centrella, jefe del laboratorio de Astrofísica Gravitacional de Goddard. “La combinación de nuestros últimos códigos con la enorme potencia de cálculo del Columbia nos permite obtener simulaciones realistas para los detectores de ondas gravitacionales”

Simulaciones espaciales

Para ejecutar simulaciones en el Columbia, los físicos de Goddard han desarrollado un sofisticado software llamado “Hahndol”, una representación inglesa de la palabra coreana “una piedra” o en alemán, “ein stein”.

El equipo de Goddard escaló su código “Hahndol” a través de 2.032 procesadores del Columbia, sólo una quinta parte del número total de procesadores del sistema. Conectando cuatro sistemas Altix de 512 procesadores a través de la conexión de alta velocidad SGI NUMAlink, la NASA ha permitido a los científicos compartir la memoria de todos los procesadores simultáneamente. El proyecto, que comenzó hace 18 meses, ha requerido millones de horas de CPU. Los cálculos individuales implicaron cientos de Gigabytes de información.

De acuerdo con John Baker, astrofísico de la NASA y uno de los líderes del proyecto de Goddard, el cálculo de algunas de las ecuaciones más complicadas de Einstein ha resultado evasivo debido a que la representación de la materia tridimensional del espacio es enormemente compleja y simular su comportamiento es cada vez más complicado. Cálculos previos efectuados sobre software menos sofisticado que “Hahndol” llevarían a resultados que serían obviamente inexactos.

“Se puede representar la simulación en una especie de papel gráfico 3D con cientos de puntos, y se calculan unas 80 variables para cada uno de los puntos”, ha declarado Baker. “Si las coordenadas no son exactas los resultados salen erróneos rápidamente”.

Proyecto LISA

La NASA continuó con las simulaciones porque las ondas gravitacionales son notoriamente difíciles de detectar y medir. Simulando con éxito las ondas, los investigadores de Goddard están ayudando en otro proyecto de la NASA: la Antena Espacial Interferométrica Láser (LISA). Compuesta de tres naves espaciales que vuelan a más de 3 millones de millas en un triángulo equilátero, el proyecto LISA contará con instrumentos extraordinariamente precisos para seguir su trayectoria y, lo que es más importante, para detectar si una onda gravitacional pasa entre ellos. Estos instrumentos tan sensibles reconocerán incluso la fuerza más ligera causada por el paso de una onda. Por ejemplo, si el láser que conecta dos naves espaciales LISA es tan pequeño como el ancho de un átomo, el sistema lo detectará.

Este proyecto ayudará a largo plazo a los científicos de la NASA a ampliar sus conocimientos sobre cómo se fusionan los agujeros negros y cómo las estrellas moribundas son consumidas por los agujeros negros.

En la simulación creada conjuntamente por NASA Goddard y científicos del Centro de Investigación Ames de la NASA, los agujeros negros que se observaron fusionándose son casi cuatro millones de veces la masa del sol. Una animación de la simulación, creada por Chris Henze, científico senior de la División de Supercomputación Avanzada de la NASA, se puede ver en:

http://www.nasa.gov/centers/goddard/universe/gwave.html

La animación, que dura 29 segundos y gira alrededor de agujeros negros, ilustra el estado final de un proceso rápido de aceleración. Aunque el proceso de fusión completo se lleva a cabo durante cientos de millones de años, el último paso dura sólo minutos.

“El trabajo de los científicos de Goddard es significativo”, ha manifestado Henza, quien renderizó la simulación que fue computerizada sobre el Columbia a través de 10 nodos de una de las dos pantallas HyperWall de la NASA Ames. “Estos son problemas muy difíciles. La gente ha estado trabajando en ellos durante décadas”.

Superordenadores

Con el puesto número 4 en la lista Top 500 de los ordenadores más potentes del mundo, el superordenador Columbia está compuesto por 20 sistemas SGI Altix, equipados cada uno de ellos con 512 procesadores Intel Itanium 2, y ha revolucionado la tasa de descubrimientos científicos en la NASA.

Por ejemplo, en los computadores anteriores al Columbia de la NASA, las simulaciones que mostraban el valor de cinco años de cambios en las temperaturas oceánicas y los niveles del mar, necesitaban alrededor de un año para su finalización. Sin embargo, utilizando un único sistema SGI Altix, los científicos pueden simular décadas de circulación oceánica en sólo unos días, a la vez que producen simulaciones más detalladas que nunca.

Otro ejemplo es el tiempo requerido para valorar las características de vuelo en el diseño de un avión, que conlleva miles de cálculos complejos, el cual se ha visto reducido de años a un único día.