Científicos desarrollan el modelo más grande y detallado del universo primitivo hasta la fecha
28. Marzo 2022
Todo comenzó hace unos 13.800 millones de años con un "Big Bang" que trajo el universo repentina y espectacularmente a la existencia. Poco después, el Universo se volvió frío y oscuro, al menos hasta que, unos cientos de millones de años después, la gravedad reunió materia en las primeras estrellas y galaxias. Como un amanecer cósmico, la primera luz de estas primeras estrellas calentó el gas circundante y lo transformó en un plasma caliente e ionizado, una transformación crucial, conocida como "reionización cósmica", que impulsó al universo a la compleja estructura que vemos hoy.
Ahora los científicos obtuvieron una visión detallada de cómo el universo puede haberse desarrollado durante este período crucial con una nueva simulación, llamada Thesan, desarrollada conjuntamente por científicos del Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA), el MIT y la Universidad de Harvard. Nombrado en honor a la diosa etrusca del amanecer, Thesan está diseñado para simular el "amanecer cósmico", y específicamente la reionización cósmica. Este período ha sido difícil de reconstruir, ya que implica interacciones inmensamente complicadas y caóticas, incluidas las que se producen entre la gravedad, el gas y la radiación.
"Otras simulaciones anteriores no pudieron igualar cómo las galaxias influyen en su gas circundante en el universo joven", explica el científico de MPA Enrico Garaldi su motivación para comenzar a trabajar en este proyecto hace tres años. "Ahora, después de todo este trabajo, me complace decir que Thesan es la primera simulación que explica cuantitativamente cuánto ionizan las primeras galaxias el gas en su vecindad".
La simulación de Thesan resuelve estas interacciones con el mayor detalle y sobre el mayor volumen de cualquier cálculo existente. Tiene 300 millones de años luz de diámetro y simula mil millones de años de evolución del Universo.
Hasta ahora, las simulaciones se alinean con las pocas observaciones que los astrónomos tienen del universo primitivo. A medida que se hacen más observaciones de este período, por ejemplo, con el recién lanzado Telescopio Espacial James Webb, Thesan puede ayudar a colocar tales observaciones en el contexto cósmico.
"Thesan actúa como un puente hacia el universo primitivo", dice Aaron Smith, miembro de la NASA Einstein en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "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".
Para simular completamente la reionización cósmica, el equipo buscó incluir tantos ingredientes principales del universo primitivo como fuera posible. Comenzaron con un modelo exitoso de formación de galaxias que sus grupos desarrollaron previamente, llamado Illustris-TNG. Luego desarrollaron un nuevo código para incorporar cómo la luz de las galaxias y las estrellas interactúa y reioniza el gas circundante.
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"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 neutro a ionizado", dice Rahul Kannan, del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica. "De esta manera, seguimos automáticamente el proceso de reionización a medida que se desarrolla". Finalmente, el equipo incluyó un modelo de polvo cósmico, creando una imagen de precisión única del Universo primitivo. Este modelo tiene como objetivo describir cómo pequeños granos de material influyen en la formación de galaxias en el universo temprano y escaso.
Con los ingredientes de la simulación en su lugar, el equipo evolucionó estas condiciones hacia adelante en el tiempo para simular un parche del universo, utilizando la máquina SuperMUC-NG en LRZ en Alemania, una de las supercomputadoras más grandes del mundo. Aquí, 60.000 núcleos informáticos llevaron a cabo simultáneamente los cálculos de Thesan durante un equivalente a 30 millones de horas de CPU (un esfuerzo que habría tardado 5.700 años en ejecutarse en una sola PC de escritorio).
Las simulaciones han producido la vista más detallada de la reionización cósmica, a través del mayor volumen de espacio, de cualquier simulación existente. Mientras que algunas simulaciones modelan a través de grandes distancias, lo hacen a una resolución relativamente baja, mientras que otras simulaciones más detalladas no abarcan volúmenes tan grandes como Thesan.
"Desarrollamos esta simulación no solo para nuestra propia comprensión del Universo primitivo, sino para toda la comunidad de investigación", subraya Garaldi. "Por esta razón, pronto lanzaremos todos los datos de simulación, ¡para que todos los usen! La simulación es tan rica y compleja que nos llevaría muchos, muchos años estudiar en su totalidad".
