Por Taylor Nicioli, CNN
Potentes observatorios como el telescopio espacial James Webb de la NASA ofrecen imágenes de galaxias que se formaron cuando el universo aún era joven, pero nuevas simulaciones realizadas con supercomputadoras están ayudando a llenar los vacíos en la misteriosa historia temprana del cosmos.
Recientemente, un equipo internacional de investigadores ha desarrollado uno de los modelos más detallados hasta la fecha sobre el universo primitivo, según un estudio publicado en la revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
La nueva simulación, llamada Lumina, recrea cómo las primeras estrellas y los agujeros negros impulsaron la reionización, una etapa crucial pero enigmática que transformó el universo. Tras el Big Bang, la radiación ultravioleta de estas primeras fuentes de luz arrancó electrones de los átomos de hidrógeno, el elemento más común en el espacio, lo que permitió que la luz viajara más lejos y cambió la forma en que se formaron las galaxias.
El universo primitivo se convirtió en una nueva y fascinante frontera para los astrónomos que buscan comprender cómo evolucionó el cosmos hasta convertirse en lo que es hoy. Como la luz tarda tiempo en viajar por el espacio, los potentes telescopios captan galaxias distantes tal como eran hace miles de millones de años. Sin embargo, estudiar un período tan extenso de la historia cósmica requiere simulaciones de una escala igualmente enorme. Ahí es donde entran en juego modelos como Lumina.
Una de las características más prometedoras de Lumina es su enorme escala, ya que abarca más de 100 veces el espacio cubierto por simulaciones anteriores, afirmó el autor principal del estudio, Oliver Zier, investigador posdoctoral del Instituto de Teoría y Computación del Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian, en Cambridge, Massachusetts.
“Contamos con un volumen cosmológico en el que es posible observar la red cósmica y cómo se agrupan las galaxias. Al mismo tiempo, logramos distinguir galaxias individuales”, explicó Zier, refiriéndose a la capacidad de la simulación para captar tanto la inmensidad del espacio como sus detalles más complejos.
Esta simulación también puede utilizarse para poner a prueba diversas hipótesis sobre la evolución del universo. Los científicos pueden comparar el escenario del universo primitivo modelado en Lumina con las observaciones obtenidas por telescopios como el James Webb. Si los resultados coinciden, los investigadores podrán ganar mayor confianza en sus teorías. “Pero, en realidad, es más interesante si no coinciden, porque eso significa que falta algo en nuestro modelo, lo cual podría darnos pistas sobre aspectos de la física que aún desconocemos”, señaló Zier.
Estas discrepancias podrían ofrecer pistas sobre aspectos del universo que los científicos todavía no comprenden por completo.
Lumina abarca una región de aproximadamente 1.500 millones de años luz en cada dirección. A modo de comparación, la Vía Láctea tiene una extensión de unos 100.000 años luz, según la NASA.
Completar este modelo masivo llevó casi tres años; para ello, se utilizaron más de 15.000 unidades de procesamiento gráfico en Frontier —una supercomputadora del Laboratorio Nacional Oak Ridge, en Tennessee—, lo que permitió obtener la potencia de cálculo necesaria para semejante hazaña.
Aunque Lumina aún no se ha puesto a disposición del público en su totalidad, algunos videos de la simulación ponen de relieve la inmensidad del espacio: muestran acercamientos a galaxias individuales para luego alejarse y revelar lo diminutas que resultan en comparación con otras en el cosmos. La Tierra puede parecer gigantesca, pero no es más que uno de los muchos planetas que existen en la Vía Láctea, la cual, a su vez, es solo una de las innumerables galaxias que pueblan el universo, explicó Zier.
“Aunque Lumina es muy grande, sigue siendo solo una parte muy pequeña del universo”, añadió.
Por primera vez, Lumina permite a los investigadores estudiar, en una única simulación, cómo los cambios tanto en el hidrógeno como en el helio —el segundo elemento más común en el espacio— transformaron el cosmos primitivo.
“Lumina es un logro técnico realmente impresionante”, señaló Julian Muñoz, profesor adjunto de astronomía en la Universidad de Texas en Austin, quien no participó en el nuevo estudio.
“Las simulaciones sobre cómo se forman las primeras galaxias y cómo ionizan el universo primitivo son costosas; por ello, normalmente solo abarcan porciones relativamente pequeñas del cosmos durante un tiempo limitado. Lumina es más extensa y abarca un periodo cósmico más largo que otras simulaciones detalladas anteriores de este tipo”, explicó Muñoz en un correo electrónico.
El universo primitivo no cambió de manera uniforme. Algunas regiones evolucionaron más rápido que otras, y la inmensa escala de Lumina permite a los investigadores observar cómo evolucionaron distintas zonas a lo largo del tiempo, indicó Muñoz.
Añadió que la simulación podría ayudar a los científicos a estudiar cómo la materia ordinaria y la materia oscura se desplazaron de formas diferentes a través del espacio.
Los modelos informáticos sobre la formación de las primeras galaxias suelen centrarse en las interacciones entre tres componentes cósmicos fundamentales: la materia ordinaria —aquello que constituye las estrellas, los planetas y los seres vivos—, la materia oscura —una sustancia invisible que representa la mayor parte de la materia del universo— y la radiación.
A diferencia de la materia oscura, la materia ordinaria interactúa con la luz, lo que provoca que ambos tipos de materia se desplacen a velocidades distintas. En las primeras etapas del universo, estas diferencias dejaron una huella en forma de patrones cósmicos que se extienden a lo largo de millones de años luz. Aunque estos patrones no pueden observarse directamente mediante telescopios, es posible mapear sus variaciones en simulaciones como Lumina, lo que permite a los científicos investigar cómo la dinámica de la materia pudo haber moldeado el cosmos primitivo, señaló Muñoz.
La simulación podría ayudar a los investigadores a estudiar galaxias poco comunes que, en modelos de menor escala, pasarían desapercibidas, comentó Ilian Iliev, profesor de astrofísica en la Universidad de Sussex (Reino Unido), quien no participó en el estudio.
Iliev expresó su interés por ver cómo Lumina y las observaciones realizadas con nuevos telescopios pueden complementarse para ofrecer una imagen más completa y precisa del universo.
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Taylor Nicioli es una periodista independiente radicada en Nueva York.
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