Los científicos reconstruyen los primeros 2.000 millones de años del universo con una simulación gigantesca
La herramienta informática "Lumina" permite estudiar cómo nacieron las primeras galaxias y cómo la luz de las estrellas transformó el universo primitivo.
Antes de que el universo se llenara de galaxias y estrellas, hubo un tiempo en que la oscuridad dominaba el cosmos. Tras el Big Bang, la materia se enfrió y comenzó a agruparse lentamente, hasta que las primeras fuentes de luz empezaron a cambiar el paisaje. Reconstruir aquella transformación, ocurrida hace miles de millones de años, es uno de los grandes retos de la astronomía.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha desarrollado Lumina, una de las simulaciones cosmológicas de radiación hidrodinámica más grandes y detalladas creadas hasta la fecha. El modelo reproduce los primeros 2.000 millones de años del universo para estudiar cómo interactuaron el gas, la materia oscura y la radiación, y cómo surgieron las primeras galaxias.
Una ventana informática al universo primitivo
Observar el universo lejano es también mirar hacia el pasado. Como la luz necesita tiempo para recorrer el espacio, los telescopios captan hoy la radiación que emitieron galaxias cuando el universo era mucho más joven. El telescopio espacial James Webb está ampliando esa ventana y descubriendo poblaciones de galaxias primitivas que obligan a los astrónomos a examinar con atención sus modelos sobre cómo se formaron las primeras estructuras cósmicas.
Para interpretar esas observaciones, los investigadores recurren a las simulaciones por ordenador. Estas herramientas permiten recrear, a partir de las leyes físicas conocidas, cómo evolucionaría el universo bajo determinadas condiciones. Después, los científicos comparan los resultados virtuales con los datos reales: si ambos coinciden, sus hipótesis ganan respaldo.
Lumina, desarrollada por investigadores del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian junto con colaboradores de otras instituciones, amplía las posibilidades de estos modelos tecnológicos. Su objetivo es seguir de manera conjunta la evolución de las galaxias, los gases que las rodean y la radiación que modifica el espacio entre ellas. Así, los astrónomos pueden estudiar no solo qué estructuras aparecieron, sino también cómo se influyeron mutuamente a lo largo del tiempo.
Cuando las primeras estrellas encendieron el cosmos
Uno de los procesos que permite estudiar es la reionización, una etapa fundamental en la historia del universo. Después del Big Bang, el cosmos estaba lleno de materia extremadamente caliente. Al expandirse y enfriarse, los electrones pudieron unirse a los núcleos atómicos y se formó un gas compuesto principalmente por hidrógeno neutro. Durante la llamada Edad Oscura, todavía no existían las abundantes fuentes de luz que conocemos hoy.
La situación cambió cuando aparecieron las primeras estrellas y galaxias. Su radiación ultravioleta tenía energía suficiente para separar los electrones de los átomos de hidrógeno, un proceso conocido como ionización. Poco a poco, las regiones iluminadas e ionizadas crecieron alrededor de estas fuentes y terminaron conectándose, transformando el gas que llenaba el espacio entre las galaxias.
Esta transición no ocurrió de golpe ni de manera uniforme. Fue un proceso prolongado, en el que distintas regiones del universo evolucionaron a ritmos diferentes. La simulación permite examinar cómo se expandieron esas zonas ionizadas y qué papel desempeñaron las estrellas, el gas y los agujeros negros supermasivos.
Una simulación sin precedentes
Uno de los grandes avances de Lumina es la dimensión del espacio que puede representar sin renunciar al detalle necesario para estudiar galaxias individuales. El modelo abarca un volumen equivalente a un cubo de unos 1.500 millones de años luz por lado, más de cien veces el volumen de espacio de simulaciones comparables a anteriores.
Simular un espacio mayor permite incluir objetos poco frecuentes, como los cuásares, núcleos galácticos extremadamente brillantes alimentados por agujeros negros supermasivos, y estudiar mejor cómo influyen en su entorno. Al mismo tiempo, el modelo sigue la interacción entre la materia y la radiación, en lugar de limitarse a representar la distribución de las galaxias.
Lumina no pretende sustituir las observaciones de los telescopios, sino proporcionar un marco con el que interpretarlas. En los próximos estudios, los investigadores podrán utilizarla para investigar cómo circula el gas entre las galaxias, cómo evoluciona la temperatura del universo y de qué manera se desarrollaron las regiones de intensa formación estelar. Al contrastar estas predicciones con los datos del James Webb y del futuro telescopio espacial Nancy Grace Roman, los astrónomos podrán poner a prueba sus explicaciones sobre los primeros capítulos de la historia cósmica.
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