Los astrónomos han construido la simulación más grande de su tipo de los primeros 2 mil millones de años del universo, un cubo virtual de aproximadamente 1,5 mil millones de años luz de cada lado que sigue la materia, la materia oscura y la radiación juntas. Llamado Lumina, cubre más de 100 veces el volumen de simulaciones anteriores comparables y es el primero de su tipo en rastrear la reionización del hidrógeno y del helio a medida que se desarrollan, según el Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian.
El trabajo, descrito en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, se ejecutó en Frontier, la supercomputadora del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. En su apogeo, el cálculo utilizó alrededor de 15.000 procesadores gráficos y el equivalente a más de 100.000 núcleos de computadora.
El momento es importante porque el Telescopio Espacial James Webb sigue encontrando galaxias tempranas que parecen más brillantes de lo que muchos astrónomos esperaban. El gran tamaño de Lumina ofrece a los investigadores enormes poblaciones de galaxias virtuales para compararlas con esas observaciones, lo que podría ayudar a determinar si las galaxias brillantes se ajustan a la teoría estándar o apuntan a algo nuevo.
Un cosmos virtual desde la Edad Media en adelante
La simulación comienza unos 45 millones de años después del Big Bang, en una era oscura antes de las primeras estrellas, y recorre los primeros 2.000 millones de años. Rastrea alrededor de medio billón de elementos, incluidas partículas de materia oscura y células de gas, a aproximadamente 30 veces la resolución de IllustrisTNG, la conocida simulación en la que se basa, según MIT News. El MIT describe la caja como de unos 500 megaparsecs, o aproximadamente 1.600 millones de años luz, de ancho.
Ese rango de escalas es el punto. Mark Vogelsberger, profesor de física del MIT y autor del estudio, dijo que “otras simulaciones no pueden acercarse tanto” y al mismo tiempo cubrir un volumen tan grande. El equipo puede seguir galaxias individuales que forman estrellas mientras observa cómo la radiación transforma el gas en toda la caja.
El autor principal, Oliver Zier, miembro del Centro de Astrofísica, relacionó el proyecto directamente con Webb. “Con JWST, el universo primitivo se ha convertido en una nueva y apasionante frontera en astrofísica”, afirmó.
Reionización de hidrógeno y helio en una sola ejecución
La reionización es el período en el que la radiación de fuentes primitivas despojó de electrones a los átomos que habían sido neutros desde que el universo se enfrió después del Big Bang. El hidrógeno se reionizó primero y el helio necesitó más luz energética. Lumina es la primera simulación de radiación-hidrodinámica de este tipo que sigue la reionización del helio y al mismo tiempo rastrea sus efectos sobre el gas circundante.
En la simulación, la luz de las primeras galaxias y estrellas impulsó la reionización del hidrógeno, mientras que la reionización del helio fue impulsada en gran medida por agujeros negros supermasivos en sus fases activas de alimentación, informó el MIT. Esa imagen coincide con las principales teorías, y Lumina ahora proporciona una versión detallada y comprobable de la misma.
Imágenes impactantes con un trabajo científico
El equipo publicó representaciones y animaciones que muestran el desarrollo del proceso. Una imagen abarca una región de unos 650 millones de años luz de diámetro, con finos filamentos que rastrean la materia oscura en la red cósmica y cálidos tonos anaranjados y amarillos que marcan dónde el gas se mueve más rápido entre los cúmulos de galaxias.
Otras publicaciones incluyen un lapso de tiempo de burbujas de reionización de hidrógeno que crecen a lo largo de 2 mil millones de años, un sobrevuelo de un halo masivo y un zoom desde el volumen completo hasta una sola galaxia en forma de disco. Las imágenes son más que decoración. Muestran dónde se forman primero las burbujas ionizadas y cómo fluye el gas entre galaxias, lo que los observadores pueden comparar con mapas de telescopios.
El tamaño importa para las galaxias raras
El volumen es lo que distingue a Lumina del debate sobre Webb. Las galaxias tempranas más brillantes son raras, y una pequeña caja simulada puede contener sólo un puñado de ellas, o ninguna, lo que hace difícil decir si la teoría se queda corta o la muestra es simplemente demasiado pequeña. Un cuadro más de 100 veces más grande produce muchos más candidatos para comparar.
El coautor del MIT, Xuejian Shen, calificó el tamaño de la simulación como una de sus principales ventajas, porque produce poblaciones de galaxias muy grandes que pueden compararse con los próximos estudios del cielo, informó MIT News. Esto incluye estudios planificados con Webb y con futuros observatorios como el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA, que está diseñado para mapear amplias áreas del cielo.
La cuestión de la galaxia brillante sigue abierta
Desde 2022, Webb ha detectado galaxias en los primeros cientos de millones de años después del Big Bang que parecen sorprendentemente brillantes para su edad. Algunos de los primeros estudios sugirieron que podrían ser demasiado masivos para ajustarse al modelo cosmológico estándar, una afirmación que llamó mucho la atención.
Otros equipos han propuesto explicaciones que no requieren nueva física. Un estudio de 2023 de la Universidad Northwestern que utilizó simulaciones separadas encontró que la formación de estrellas “en ráfagas”, breves e intensas explosiones seguidas de períodos de calma, puede hacer que las galaxias más pequeñas brillen con mucha intensidad. El astrónomo Claude-André Faucher-Giguère explicó el enigma de forma sencilla: “Normalmente, una galaxia es brillante porque es grande”, dijo a la revista Astronomy.
Lumina aún no ha sido comparada con las observaciones de Webb, por lo que no responde a la pregunta. Sus condiciones iniciales se establecieron a partir de expectativas teóricas, no de mediciones, y las afirmaciones de que se trata de la simulación más grande de su tipo provienen del equipo de investigación. El valor radica en las pruebas (con suficientes galaxias simuladas para ver si aparecen de forma natural galaxias raras y muy brillantes) y ese trabajo aún está por delante.
Para los observadores de estrellas y los fanáticos de la ciencia, no hay ninguna acción que tomar, pero la simulación da forma a lo que buscarán los próximos telescopios. El equipo planea comparar Lumina con datos de Webb y próximos estudios, mapear estructuras tempranas a gran escala y predecir señales de ondas gravitacionales de galaxias tempranas y agujeros negros. La conclusión es que los astrónomos ahora tienen su universo temprano virtual más detallado, y su primera prueba real será si las brillantes galaxias de Webb aparecen en él sin reescribir las reglas.
Lo que los lectores quieren saber
¿Qué es Lúmina?
Se trata de una gran simulación cosmológica que recrea los primeros 2 mil millones de años del universo, siguiendo la materia, la materia oscura y la radiación juntas.
¿Qué tan grande es?
Modela un cubo de aproximadamente 1,5 a 1,6 mil millones de años luz de lado, más de 100 veces el volumen de simulaciones anteriores comparables.
¿Qué es la reionización?
Es la era en la que la radiación de las primeras estrellas, galaxias y agujeros negros despojó de electrones a los átomos de hidrógeno y helio en todo el universo.
¿Lumina explica las brillantes galaxias tempranas de Webb?
Aún no. No se ha comparado con las observaciones de Webb, pero sus grandes muestras de galaxias están diseñadas para esa prueba.
¿Dónde se realizó la simulación?
En Frontier, una supercomputadora del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, que utiliza alrededor de 15.000 procesadores gráficos en su punto máximo.
¿Qué viene después?
El equipo planea comparaciones con Webb y estudios futuros, además de mapas de estructuras tempranas y señales de ondas gravitacionales predichas.
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