A la gente a veces le preocupa que podamos estar viviendo dentro de una simulación por computadora y que todos seamos productos de algún programa gigantesco y divino creado por razones desconocidas. (Esta sospecha es tan frecuente que ha generado su propio chiste entre los fanáticos de Star Trek: cuando las cosas se ponen realmente mal, simplemente mire hacia arriba y diga con firmeza: “Computadora, finalice el programa”, en caso de que todos estemos en una holocubierta).
Ciertamente no puedo decir si esto es cierto o no (o qué diferencia habría), pero sí sé que los humanos nos estamos volviendo bastante buenos simulando el universo por nosotros mismos, o al menos su física.
Como prueba, no busque más: Lumina, una nueva simulación sin precedentes realizada por un gran equipo internacional de científicos. Lumina es el mejor intento hasta ahora de modelar la física que sustenta uno de los eventos más importantes de la historia cósmica: la reionización, que es la clave para comprender las fuentes de energía críticas en el universo primitivo. Los investigadores publicaron sus resultados iniciales el 26 de octubre en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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Decir que la simulación es ambiciosa es subestimarla seriamente. Lumina calcula las condiciones físicas en un volumen de espacio de más de 1.500 millones de años luz de ancho (una distancia inmensa), pero también puede simular lo que sucede a escalas de alrededor de sólo 1.400 años luz. Lo hace dividiendo ese volumen en la asombrosa cifra de 432 mil millones de sectores individuales del espacio y realizando un seguimiento de múltiples parámetros físicos dentro de cada uno a medida que las condiciones cambian con el tiempo. Esto produce la simulación más detallada sobre la porción más grande del universo jamás creada, revelando lo que sucedió durante un período de dos mil millones de años que se remonta a sólo 50 millones de años aproximadamente después del Big Bang.
Fue durante esta era cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias; sin embargo, sabemos muy poco sobre las condiciones físicas del universo en ese momento, razón por la cual simulaciones como Lumina pueden ser tan esclarecedoras.
Una breve historia del universo:
Al principio, el cosmos era muy caliente y muy denso. Se expandió y se enfrió mientras lo hacía. Durante los primeros 380.000 años aproximadamente, fue opaco porque estaba lleno de partículas cargadas de gas ionizado, como electrones y protones. A esas densidades extremadamente altas, no se podía hacer girar un fotón sin que chocara con un ion y rebotara en una dirección aleatoria, por lo que la luz no podía viajar libremente como lo hace hoy.
Con el tiempo, el universo se enfrió lo suficiente como para que los núcleos atómicos y los electrones pudieran combinarse, y cuando lo hicieron, todo ese gas que inundaba el espacio rápidamente se volvió eléctricamente neutro. Este material no es muy bueno para absorber la luz, por lo que hizo que el universo fuera transparente. Los fotones podían volar libremente y viajar largas distancias.
Mientras esto sucedía, la gravedad comenzaba a juntar vastas extensiones de materia enfriándose. Comenzaron a formarse enormes estructuras, como galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos de galaxias. A menor escala, las estrellas también estaban empezando a fusionarse a partir del miasma, al igual que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias.
Tanto las estrellas como estos monstruosos agujeros negros eran fuentes de intensos fotones de alta energía, incluida la luz ultravioleta. Toda esa radiación volvió a expulsar electrones de los átomos y, con el paso del tiempo, esto reionizó el universo. Sin embargo, para entonces el universo se había expandido tanto que la densidad de todo ese gas se había desplomado, por lo que el cosmos permaneció transparente. Ése es más o menos el estado de las cosas hoy, más de 13 mil millones de años después.
Pero hay detalles que aún desconocemos y que son difíciles de deducir sólo a partir de observaciones. ¿Cuándo (y con qué rapidez) se produjo la reionización? ¿Qué papel jugó la materia oscura o los diferentes elementos producidos por las estrellas? ¿Cuándo exactamente se formaron las estructuras a gran escala?
Aquí es donde entran las simulaciones. Entendemos, por ejemplo, la gravedad, el flujo de fotones a través de la materia y la cantidad de radiación que emiten las estrellas y galaxias. Un modelo de computadora puede tomar una pequeña región del espacio virtual, agregar hidrógeno, helio, materia oscura y radiación y luego aplicar las leyes de la física y ver cómo todo cambia con el tiempo. Al hacer esto en miles, millones o miles de millones de estas regiones y dejar que se afecten entre sí, se puede intentar reproducir cómo funciona el universo.
Pero simular el universo no es fácil. Es necesario observar escalas pequeñas para asegurarse de comprender correctamente la física de la formación de estrellas, pero también es necesario observar escalas enormes para permitir que se formen cosas como galaxias y cúmulos de galaxias. Y para ver cómo cambia toda esta estructura, hay que hacer esto una y otra vez a medida que pasa el tiempo simulado.
Aún así, las computadoras son bastante buenas hoy en día y los científicos pueden codificar sus simulaciones para optimizar la velocidad sin (con suerte) sacrificar demasiado realismo. Entonces, a medida que nuestras computadoras y códigos mejoraron, las simulaciones evolucionaron con el tiempo para volverse más complejas, muy parecidas al cosmos mismo.
Lumina es el último paso en esta evolución. Observa pequeñas regiones del espacio, pero tiene tantas (cientos de miles de millones) que en realidad cubre volúmenes lo suficientemente grandes como para ver estructuras como cúmulos. Además, y lo que es más importante, el volumen del espacio es tan enorme que también pueden formarse objetos relativamente raros (pero extremadamente influyentes), como los cuásares superpoderosos que arrojan radiación ionizante, lo que permite incluir sus efectos descomunales.
Lumina también utiliza la física más sofisticada jamás realizada a esta escala. La simulación realiza un seguimiento del hidrógeno, el helio y la materia oscura, así como de la radiación ionizante de diversas fuentes. (Observaré que no incluye los efectos del magnetismo, que son ridículamente complejos y difíciles de calcular).
Los resultados iniciales del simulador son bastante interesantes. Los astrónomos han discutido durante años sobre si los agujeros negros supermasivos o las estrellas eran los principales responsables de la reionización. ¡Y Lumina indica que la respuesta es ambas! Las estrellas fueron responsables de la ionización del hidrógeno y de la eliminación de un electrón de los átomos de helio, pero fue necesaria la mayor producción de energía de los enormes agujeros negros en los centros de las galaxias para ionizar completamente el helio (que atrapa sus electrones con más fuerza que el hidrógeno). Esto realmente no me sorprende (en general, si hay dos explicaciones posibles para algún efecto, la respuesta real puede ser una combinación de ambas), pero sigue siendo útil aclarar los roles que desempeñan estas fuentes individuales.
Entre otros resultados, el equipo de Lumina encuentra que la reionización del hidrógeno se completó hace unos 12.500 millones de años. La reionización total del helio (lo que significa que ambos electrones son despojados) comenzó hace unos 12.800 millones de años y terminó unos 1.200 millones de años después. Otros resultados, más sutiles, mantendrán a los astrónomos ocupados comparando teorías y observaciones durante algún tiempo. En cierto sentido, los resultados de Lumina son muy parecidos al estudio realizado, por ejemplo, por el Observatorio Vera C. Rubin, que está tomando observaciones del universo real con extraordinaria resolución y profundidad; ambos presentan conjuntos de datos exquisitos que pueden ser explorados en busca de tesoros para los años venideros.
Un universo simulado puede decirnos mucho sobre el universo real, suponiendo que sea real. De cualquier manera, el objetivo final es entenderlo un poco mejor, y eso es bastante real para mí.