El modelo más grande y detallado del universo primigenio

Unos científicos han conseguido crear el modelo más grande y detallado hasta la fecha del universo en sus primeros millones de años de existencia. Este modelo ayudará a aclarar algunos de los misterios más desconcertantes de la evolución cósmica.

El universo se formó de repente hace unos 13.800 millones de años, con el Big Bang, una “explosión” más colosal que cualquier otra que haya existido. Poco después, el universo recién creado se enfrió y se volvió completamente oscuro.

Después de eso, concretamente un par de cientos de millones de años después del Big Bang, el universo inicio una nueva y fecunda etapa de cambios. La gravedad reunió la materia en las primeras estrellas y galaxias. La luz de estas primeras estrellas convirtió el gas circundante en un plasma caliente e ionizado, una transformación crucial a gran escala conocida como reionización cósmica que impulsó al universo a transformarse hasta adoptar la compleja estructura que vemos hoy.

Obtener una visión detallada de cómo pudo desarrollarse el universo durante aquel periodo crucial ha pasado a resultar factible gracias a un nuevo modelo de simulación, conocido como Thesan, desarrollado por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, la Universidad Harvard en el mismo país y el Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania.

Thesan, que lleva el nombre de la diosa etrusca del amanecer, está diseñado para simular el "amanecer cósmico" y, en concreto, la reionización cósmica, un período que ha sido difícil de reconstruir, ya que implica interacciones inmensamente complicadas y caóticas, incluidas las que se dan entre la gravedad, el gas y la radiación.

El modelo Thesan resuelve estas interacciones con mayor volumen y nivel de detalle que cualquiera de las simulaciones anteriores. Lo hace combinando 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.

Evolución del universo recreada con el modelo Thesan. El tiempo avanza de izquierda a derecha. La materia oscura (panel superior) se congrega en grumos, conformando la estructura de la red cósmica, compuesta por cúmulos (halos) conectados por filamentos, y el gas (segundo panel desde arriba) le sigue, congregándose a su vez en grumos de los que se forman las galaxias. Estas producen fotones ionizantes que impulsan la reionización cósmica (tercer panel desde arriba), calentando el gas en el proceso (panel inferior). (Imágenes: THESAN Simulations. CC BY-NC-ND 3.0)

Con Thesan, los investigadores pueden simular un volumen cúbico del universo que abarca 300 millones de años-luz.

Hasta ahora, las simulaciones realizadas con este nuevo modelo coinciden con las pocas observaciones que los astrónomos tienen del universo primitivo. A medida que se realicen más observaciones de este periodo, por ejemplo con el nuevo telescopio espacial James Webb, Thesan puede ayudar a situar dichas observaciones en el contexto de la evolución cósmica.

"Thesan actúa como un puente hacia el universo primitivo", explica Aaron Smith, del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT.

Una vez tuvo preparados todos los ingredientes de la simulación, el equipo de Smith estableció sus condiciones iniciales para unos 400.000 años después del Big Bang, basándose en mediciones de precisión del “eco fósil” del Big Bang. A continuación, Smith y sus colegas hicieron evolucionar estas condiciones hacia el futuro para simular la historia de una parte del universo. Las simulaciones con el modelo fueron ejecutadas en la SuperMUC-NG, una de las mayores supercomputadoras del mundo, que aprovechó simultáneamente 60.000 núcleos de computación para llevar a cabo los cálculos de Thesan a lo largo de un equivalente a 30 millones de horas de CPU (un esfuerzo que habría tardado 3.500 años en ejecutarse en un solo ordenador convencional de sobremesa).

Las simulaciones han producido una visión más detallada de la reionización cósmica y con el mayor volumen del espacio, que lo conseguido por cualquier otra simulación previa. Aunque algunas simulaciones recrean grandes volúmenes de espacio, lo hacen con una resolución relativamente baja, mientras que otras simulaciones más detalladas no abarcan volúmenes tan grandes.

Smith y sus colegas exponen los detalles técnicos del nuevo modelo y los resultados obtenidos hasta ahora con él, en la revista académica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, bajo el título “The THESAN project: Lyman-α emission and transmission during the Epoch of Reionization”. (Fuente: NCYT de Amazings)