Científicos del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), la Universidad de Harvard y el Instituto Max Planck de Astrofísica desarrollaron un nuevo modelo que simula el universo primitivo, llamado “Thesan”, para explicar cómo la radiación iluminó éste durante los primeros mil millones de años.
“Thesan”, cuyo nombre proviene de la diosa etrusca del amanecer, muestra cómo el universo “despertó” un par de cientos de millones de años después del Big Bang, cuando la gravedad reunió materia en las primeras estrellas y galaxias.
La luz de estas primeras estrellas convirtió el gas circundante en un plasma ionizado caliente, una transformación crucial conocida como reionización cósmica que impulsó al universo a la estructura compleja que vemos hoy.
Ya que después de la gran “explosión” cosmológica que trajo al universo a la existencia de manera repentina y espectacular, hace 13 mil 800 millones de años aproximadamente, el universo infantil se enfrió drásticamente y se oscureció por completo.
Con este desarrollo, ahora los científicos pueden obtener una vista detallada de cómo se pudo haber desarrollado el universo durante este periodo crucial.
Thesan simula los orígenes del universo que conocemos hoy
Hasta ahora, las simulaciones se alinean con las pocas observaciones que los astrónomos tienen del universo primitivo. Pero, a medida que se realizan más observaciones de este periodo, por ejemplo, con el recién lanzado telescopio espacial James Webb, Thesan puede ayudar a ubicar tales observaciones en el contexto cósmico.
Además, este avance ha comenzado a arrojar luz sobre ciertos procesos, como qué tan lejos puede viajar la luz en el universo primitivo y qué galaxias fueron responsables de la reionización.
“Thesan actúa como un puente hacia el universo primitivo”, señaló Aaron Smith, miembro de la NASA Einstein en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, quien aseguró que este modelo “está destinado a servir como una contraparte de simulación ideal para las próximas instalaciones de observación, que están preparadas para alterar fundamentalmente nuestra comprensión del cosmos”.
Las simulaciones han producido la vista más detallada de la reionización cósmica, en el mayor volumen de espacio, de cualquier simulación existente.
Y es que anteriormente, las simulaciones modelaban grandes distancias, pero con una resolución relativamente baja, mientras que otras más detalladas no abarcaban grandes volúmenes.
Además, las simulaciones sugieren que hacia el final de la reionización cósmica, la distancia que la luz podía viajar aumentó más dramáticamente de lo que los científicos habían supuesto previamente.
“Thesan descubrió que la luz no viaja grandes distancias en los inicios del universo”, dice Rahul Kannan del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian. “De hecho, esta distancia es muy pequeña y sólo se vuelve grande al final de la reionización, aumentando en un factor de 10 en sólo unos pocos cientos de millones de años”.
Los investigadores también ven indicios del tipo de galaxias responsables de impulsar la reionización.
Los colores representan la densidad y el brillo, revelando la estructura de reionización irregular dentro de una red de filamentos de gas neutro de alta densidad. | Foto: MIT.
¿Cómo funciona?
Thesan está diseñado para simular el ‘amanecer cósmico’, y específicamente la reionización cósmica, un periodo que ha sido difícil de reconstruir, ya que implica interacciones caóticas inmensamente complicadas, incluidas las de la gravedad, el gas, y radiación.
De acuerdo con el MIT, la simulación de del universo resuelve estas interacciones con el mayor detalle y volumen de cualquier simulación anterior; mediante la combinación de un modelo realista de formación de galaxias con un nuevo algoritmo que rastrea cómo la luz interactúa con el gas, junto con un modelo de polvo cósmico.
De esta manera, los investigadores pueden simular un volumen cúbico del universo que abarca 300 millones de años luz de diámetro, y ejecutan la simulación hacia adelante en el tiempo para rastrear la primera aparición y evolución de cientos de miles de galaxias dentro de este espacio, comenzando alrededor de 400 mil años después del Big Bang y durante los primeros mil millones de años, basándose en mediciones de precisión de la luz reliquia de la gran explosión.
Luego desarrollaron estas condiciones en el tiempo para simular una parte del universo, utilizando la máquina SuperMUC-NG, una de las supercomputadoras más grandes del mundo, que aprovechó simultáneamente 60 mil núcleos de computación para llevar a cabo los cálculos de Thesan en un equivalente de 30 millones de CPU.
Según los expertos, este esfuerzo habría llevado 3 mil 500 años en ejecutarse en un solo escritorio.
Para simular completamente la reionización cósmica, el equipo buscó incluir tantos ingredientes importantes del universo primitivo como fuera posible.
Así, comenzaron con un modelo exitoso de formación de galaxias que sus grupos desarrollaron previamente, llamado Illustris-TNG, que ha demostrado simular con precisión las propiedades y poblaciones de galaxias en evolución.
Luego desarrollaron un nuevo código para incorporar cómo la luz de las galaxias y las estrellas interactúa con el gas circundante y lo reioniza, un proceso extremadamente complejo que otras simulaciones no han podido reproducir con precisión a gran escala.
“Thesan sigue cómo la luz de estas primeras galaxias interactúa con el gas durante los primeros mil millones de años y transforma el universo de neutral a ionizado”, Kannan. “De esta manera, seguimos automáticamente el proceso de reionización a medida que se desarrolla”.
Finalmente, el equipo incluyó un modelo preliminar de polvo cósmico, otra característica que es exclusiva de tales simulaciones del universo primitivo. Este modelo temprano tiene como objetivo describir cómo los pequeños granos de material influyen en la formación de galaxias en el universo primitivo y disperso.
