Un equipo internacional de científicos presentó Lumina, una simulación computacional sin precedentes que arroja luz sobre la llamada ‘edad oscura’ cósmica y el proceso de reionización, uno de los eventos más importantes en la historia del universo. Los resultados iniciales se publicaron el 26 de octubre en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Lumina es un modelo enorme cargado de astrofísica compleja que ofrece a los científicos una vista virtual impresionante del universo joven. La simulación calcula las condiciones físicas en un volumen de espacio de más de 1,500 millones de años luz de ancho, pero también puede simular lo que ocurre a escalas de solo 1,400 años luz. Para lograrlo, divide ese volumen en la asombrosa cifra de 432 mil millones de sectores individuales y rastrea múltiples parámetros físicos en cada uno a medida que cambian con el tiempo.
Esto produce la simulación más detallada sobre el fragmento más grande del universo jamás creado, revelando lo que sucedió durante un período de dos mil millones de años que se remonta a solo 50 millones de años después del Big Bang. Fue durante esa era cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, pero sabemos muy poco sobre las condiciones físicas del universo en ese entonces, por lo que simulaciones como Lumina pueden ser muy esclarecedoras.
Un breve repaso: la historia del universo
Para entender la importancia de Lumina, conviene recordar cómo evolucionó el cosmos. En el principio, el universo era muy caliente y denso. Se expandió y se enfrió. Durante los primeros 380,000 años, fue opaco porque estaba lleno de gas ionizado: partículas cargadas como electrones y protones. Con densidades tan extremas, un fotón no podía avanzar sin chocar con un ion y salir rebotado en una dirección aleatoria, por lo que la luz no podía viajar libremente como hoy.
Eventualmente, el universo se enfrió lo suficiente para que los núcleos atómicos y los electrones se combinaran, y cuando lo hicieron, todo ese gas que impregnaba el espacio se volvió eléctricamente neutro. Ese material no absorbe bien la luz, así que el universo se volvió transparente. Los fotones pudieron volar libres, viajando largas distancias.
Mientras esto ocurría, la gravedad empezaba a atraer vastas extensiones de materia en enfriamiento. Grandes estructuras comenzaron a formarse, como galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos. A menor escala, las estrellas también empezaban a coalescer a partir de la nebulosa, y los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias también. Tanto las estrellas como estos monstruosos agujeros negros eran fuentes de fotones de alta energía, incluida la luz ultravioleta. Toda esa radiación arrancó electrones de los átomos una vez más y, con el tiempo, reionizó el universo. Para entonces, sin embargo, el universo se había expandido tanto que la densidad de todo ese gas había caído en picada, por lo que el cosmos permaneció transparente. Ese es más o menos el estado actual de las cosas, unos 13,000 millones de años después.
El desafío de simular el universo
Pero hay detalles que aún desconocemos y que son difíciles de deducir solo a partir de observaciones. ¿Cuándo ocurrió la reionización y con qué rapidez? ¿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 computacional puede tomar una pequeña región de espacio virtual, agregar hidrógeno, helio, materia oscura y radiación, y luego aplicar las leyes de la física para ver cómo cambia todo con el tiempo. Al hacer esto en miles, millones o miles de millones de regiones y permitir que se afecten entre sí, se puede intentar reproducir cómo funciona el universo.
Pero simular el universo no es fácil. Se necesita examinar escalas pequeñas para asegurar que la física de la formación estelar sea correcta, pero también escalas enormes para permitir que se formen galaxias y cúmulos. Y para ver cómo cambia toda esa estructura, hay que hacerlo una y otra vez a medida que pasa el tiempo simulado. Aun así, las computadoras son bastante buenas hoy en día, y los científicos pueden programar sus simulaciones para optimizar la velocidad sin sacrificar demasiado realismo.
A medida que nuestras computadoras y códigos han mejorado, las simulaciones han evolucionado para volverse más complejas, al igual que el cosmos mismo. Lumina es el último paso en esta evolución. Examina pequeñas regiones de espacio pero tiene tantas —cientos de miles de millones— que en realidad cubre volúmenes lo suficientemente grandes como para ver estructuras como cúmulos. Además, el volumen de espacio es tan enorme que objetos relativamente raros pero extremadamente influyentes, como los cuásares que emiten radiación ionizante, también pueden formarse, permitiendo incluir sus efectos descomunales.
Lumina también utiliza la física más sofisticada jamás realizada a esta escala. La simulación rastrea hidrógeno, helio y materia oscura, así como la radiación ionizante de diversas fuentes. Cabe señalar que no incluye los efectos del magnetismo, que son ridículamente complejos y difíciles de calcular.
Resultados reveladores: estrellas y agujeros negros en conjunto
Los resultados iniciales de la simulación son bastante interesantes. Durante años, los astrónomos han debatido si los agujeros negros supermasivos o las estrellas fueron los principales responsables de la reionización. Lumina indica que la respuesta es ¡ambos! Las estrellas fueron responsables de la ionización del hidrógeno y de arrancar un electrón de los átomos de helio, pero se necesitó la mayor producción de energía de los enormes agujeros negros en los centros de las galaxias para ionizar completamente el helio (que retiene sus electrones con más fuerza que el hidrógeno).
Esto no sorprende demasiado: en general, si hay dos explicaciones posibles para un efecto, la respuesta real puede ser una mezcla de ambas. Pero sigue siendo útil aclarar los roles que desempeñan estas fuentes individuales.
Entre otros resultados, el equipo de Lumina encontró que la reionización del hidrógeno se completó hace unos 12,500 millones de años. La reionización total del helio (es decir, cuando se despoja de ambos electrones) comenzó hace aproximadamente 12,800 millones de años y terminó unos 1,200 millones de años después. Otros resultados más sutiles mantendrán ocupados a los astrónomos tratando de hacer coincidir teoría y observaciones durante algún tiempo.
En cierto sentido, los resultados de Lumina son muy similares a los del sondeo del Observatorio Vera C. Rubin, que está tomando observaciones del universo real con una resolución y profundidad extraordinarias; ambos presentan conjuntos de datos exquisitos que pueden ser explorados en busca de tesoros durante años.
Un universo simulado puede decirnos mucho sobre el real, suponiendo que sea real. De cualquier manera, el objetivo final es entenderlo un poco mejor, y eso es suficientemente real para nosotros.