El regreso al inicio del universo: un equipo científico crea la simulación más detallada de la historia del cosmos

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) y el Telescopio Espacial Nancy Roman están revelando los primeros capítulos del universo con un detalle extraordinario. Para ayudar a los astrónomos a comprender lo que observan, los investigadores del Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian (Estados Unidos) han desarrollado «Lumina», una de las simulaciones más grandes y detalladas jamás creadas del universo primitivo.

Publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, el nuevo modelo recrea cómo interactuaron la materia ordinaria, la materia oscura y la radiación durante los primeros 2.000 millones de años del universo, proporcionando a los científicos una nueva y poderosa herramienta para poner a prueba las teorías sobre la evolución del cosmos tras el Big Bang.

Al comparar las observaciones del JWST, el telescopio Roman y otros telescopios con las predicciones de Lumina, los astrónomos pueden determinar si su comprensión de las leyes que rigen el universo sigue siendo precisa o si los nuevos descubrimientos les obligan a replantearse las teorías existentes.

Durante siglos, los astrónomos han observado el cielo nocturno y desarrollado modelos cada vez más sofisticados para explicar cómo se forman las estrellas, las galaxias y otras estructuras cósmicas. Hoy en día, las simulaciones con supercomputadoras permiten a los investigadores transformar esas teorías en predicciones detalladas. Cuando las observaciones coinciden con esas predicciones, aumenta la confianza en las teorías existentes. Cuando no coinciden, los científicos tienen la oportunidad de descubrir nuevos conocimientos sobre el funcionamiento del universo.

«Con el JWST, el universo primitivo se ha convertido en una nueva y apasionante frontera de la astrofísica. Para comprender lo que observamos con este telescopio, necesitamos traducir nuestras teorías en predicciones detalladas. Tras varios años de trabajo, con muchos altibajos, es increíblemente gratificante ver los resultados de la simulación y observar cómo nuestras predicciones cobran vida en vídeo», apunta el autor principal, Oliver Zier, investigador del ITC en el Centro de Astrofísica de Harvard y Smithsonian.

Lumina representa la mayor simulación cosmológica de radiación e hidrodinámica jamás creada. Este tipo de simulación modela cómo los componentes fundamentales del universo, como el gas, la materia oscura y la luz, interactúan para formar estrellas y galaxias. Lumina abarca los primeros 2.000 millones de años de la historia cósmica, mostrando cómo surgieron las primeras galaxias y cómo transformaron las vastas regiones de gas que las rodeaban.

La simulación abarca un volumen espacial más de cien veces superior al de simulaciones comparables anteriores. Además, es la primera en capturar la reionización del helio tal como ocurrió, permitiendo que sus efectos influyan de inmediato en la evolución del universo dentro del modelo. La simulación comprende una región equivalente a un cubo de aproximadamente 1.500 millones de años luz por lado, comparable a la escala que los astrónomos pueden observar con los telescopios más potentes de la actualidad.

«Nos sentimos increíblemente afortunados de poder crear simulaciones como Lumina», declara Aaron Smith, profesor adjunto de física en la Universidad de Texas en Dallas (Estados Unidos) y uno de los autores del artículo. «Por primera vez, podemos seguir la evolución del hidrógeno y el helio hasta su forma actual a través de un volumen tan enorme del universo, sin dejar de observar las galaxias y otros objetos luminosos que impulsan dicha transformación».

La creación de Lumina requirió más de 15.000 unidades de procesamiento gráfico (GPU) que funcionaban en Frontier, una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, ubicada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee. Su inmensa capacidad de cálculo permitió a los investigadores modelar un volumen sin precedentes del universo primitivo, manteniendo el nivel de detalle necesario para estudiar la formación de galaxias, estrellas y agujeros negros.

El equipo de investigación diseñó Lumina como una plataforma para probar nuevas ideas sobre la formación y evolución del universo. Futuros estudios utilizarán la simulación para investigar cómo se mueven los gases entre galaxias, cómo la radiación del Big Bang influyó en la evolución cósmica y cómo se desarrollaron con el tiempo las regiones de intensa formación estelar.