Investigadores han creado una simulación informática del universo primitivo después del Big Bang que abarca 300 millones de años luz.
El proyecto, conocido como «Thesan», es clave para los investigadores, ya que todavía hay mucho que desconocemos sobre esta época.
Pronto se compararán observaciones y datos reales de telescopios con las simulaciones de Thesan, que confirmarán o refutarán lo que se sabe hasta ahora sobre este período.
Parece que son luciérnagas que parpadean en la oscuridad. Poco a poco, se van acumulando cada vez más, iluminando la pantalla en grandes grupos y cúmulos.
Pero no es un video sobre insectos. Es una simulación del universo primitivo, de una época posterior al Big Bang en la que el cosmos pasó de ser un lugar de oscuridad absoluta a un entorno radiante y lleno de luz.
Este impresionante video forma parte de un amplio conjunto de simulaciones descritas en una serie de tres artículos aceptados para su publicación en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Las crearon investigadores del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Instituto Max Planck de Astrofísica. Las simulaciones representan un avance monumental en la simulación de la formación de las primeras galaxias y de la reionización: el proceso por el que los átomos de hidrógeno neutro del espacio se transformaron en hidrógeno con carga positiva, o ionizado, lo que permitió que la luz se propagara por todo el universo.
El período simulado, conocido como la época de la reionización, tuvo lugar hace unos 13.000 millones de años y fue difícil de reconstruir, pues implica interacciones caóticas e inmensamente complejas, incluidas las que se dan entre la gravedad, el gas y la radiación, es decir, la luz.
«La mayoría de los astrónomos no tienen laboratorios donde realizar experimentos. Las escalas del espacio y el tiempo son demasiado grandes, así que la única forma de hacer experimentos es con computadoras», explica Rahul Kannan, astrofísico del Center for Astrophysics y autor principal del primero de los artículos de la serie. «Podemos usar ecuaciones básicas de la física y modelos teóricos rectores para simular lo que ocurrió en el universo primitivo».
Las simulaciones del equipo, llamadas Thesan en honor a la diosa etrusca del amanecer, reproducen las interacciones en el universo primitivo con el mayor nivel de detalle y en el mayor volumen de todas las simulaciones anteriores. La física del universo primitivo se captura hasta escalas un millón de veces menores que las regiones simuladas, lo que ofrece detalles sin precedentes sobre las propiedades de las primeras galaxias y cómo la luz de estas afectó al gas.
El equipo lo consigue combinando un modelo realista de formación de galaxias con un nuevo algoritmo que sigue la interacción de la luz con el gas, además de un modelo de polvo cósmico.
Con Thesan, los investigadores pueden simular una parte de nuestro universo que se extiende a lo largo de más de 300 millones de años luz. El equipo puede hacer avanzar la simulación en el tiempo para seguir y visualizar la primera aparición y evolución de cientos de miles de galaxias en ese espacio, desde unos 400.000 años después del Big Bang hasta el final de los primeros mil millones de años.
Las simulaciones revelan un cambio gradual del universo, de la oscuridad total a la luz.
«Es un poco como el agua en una cubitera: cuando la metes en el congelador, tarda un tiempo, pero al cabo de un rato empieza a congelarse por los bordes y luego avanza lentamente hacia el interior», explica Aaron Smith, coautor del estudio y becario Einstein de la NASA en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. «Eso mismo ocurrió en el universo primitivo: era un cosmos neutro y oscuro que se volvió luminoso e ionizado cuando la luz empezó a surgir de las primeras galaxias».
Las simulaciones se crearon para preparar las observaciones del telescopio espacial James Webb (JWST), que podrá observar más lejos en el tiempo —aproximadamente 13.500 millones de años— que sus predecesores, como el telescopio espacial Hubble.
«Muchos telescopios que están empezando a funcionar, como el JWST, están diseñados específicamente para estudiar esta época», afirma Kannan. «Ahí es donde entran en juego nuestras simulaciones: nos ayudarán a interpretar las observaciones reales de este período y a entender lo que estamos viendo».
El equipo explica que pronto se compararán las observaciones y los datos reales de telescopios con las simulaciones de Thesan.
«Y esa es la parte interesante», afirma Mark Vogelsberger, coautor del estudio y profesor asociado de Física en el MIT. «Las simulaciones y el modelo Thesan coincidirán con lo que observe el JWST, lo que confirmaría nuestra imagen del universo, o habrá un desacuerdo significativo que demostraría que nuestra comprensión del universo primitivo es errónea».
Sin embargo, el equipo no sabrá cómo se sostienen los distintos aspectos de su modelo hasta que lleguen las primeras observaciones, que abarcarán una amplia variedad de temas, entre ellos las propiedades de las galaxias y la absorción y el escape de la luz en el universo primitivo.
«Hemos desarrollado simulaciones basadas en lo que sabemos», afirma Kannan. «Pero, aunque la comunidad científica ha aprendido mucho en los últimos años, todavía hay bastante incertidumbre, sobre todo en esos primeros tiempos, cuando el universo era muy joven».
Las simulaciones se crearon con una de las supercomputadoras más grandes del mundo, la SuperMUC-NG, a lo largo de 30 millones de horas de CPU. Completar esas mismas simulaciones habría llevado más de 3.500 años en una computadora normal.
Otros científicos que forman parte del equipo de Thesan son Lars Hernquist, del CfA, y Enrico Garaldi, Ruediger Pakmor y Volker Springel, del Instituto Max Planck de Astrofísica.
