La simulación Lumina reconstruye cómo la materia oscura, el gas, las primeras galaxias y los agujeros negros transformaron el universo primitivo. El modelo permite seguir por primera vez la reionización del hidrógeno y del helio dentro de un mismo cálculo.
Ciencia-Astrofísica
Imagen: Composición de algunas de las primeras etapas del universo Lumina collaboration
Por: Juan Scaliter
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Hubo un tiempo en el que el universo existía, pero la luz de sus primeras estrellas todavía no había conseguido abrirse paso. No era un espacio vacío: contenía materia, gas y una enorme cantidad de hidrógeno neutro, pero aún faltaban las estructuras capaces de iluminarlo. Reconstruir cómo terminó aquella oscuridad es uno de los grandes desafíos de la cosmología. Ahora, un equipo internacional liderado por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado una simulación que permite seguir ese proceso con un nivel de detalle y una extensión sin precedentes.
El proyecto se llama Lumina y recrea los primeros 2.000 millones de años de evolución cósmica, desde unos 45 millones de años después del Big Bang hasta una época en la que el universo ya había formado una abundante población de galaxias. Sus resultados, publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, permiten estudiar cómo se agruparon la materia oscura y el gas, cómo nacieron las primeras galaxias y de qué manera su radiación alteró el medio que las rodeaba.
No se trata de una película grabada por un telescopio, sino de una reconstrucción matemática. Los científicos introducen las condiciones iniciales que, según las teorías cosmológicas, debía presentar el universo primitivo y calculan cómo evolucionan la materia, el gas y la radiación a medida que transcurre el tiempo. El resultado es una representación dinámica de procesos que ocurrieron hace más de 13.000 millones de años y que no pueden observarse directamente en todas sus fases.
La escala del proyecto es extraordinaria. Lumina simula una región de 500 megapársecs de lado, equivalente a unos 1.600 millones de años luz. En su cálculo combina alrededor de 432.000 millones de elementos de resolución para representar la materia oscura y el componente gaseoso. En conjunto, el volumen modelado es cien veces mayor que el de simulaciones comparables anteriores, con una resolución aproximadamente treinta veces superior a la de IllustrisTNG, el proyecto que sirvió de base para desarrollar el nuevo modelo.
En pocas palabras: para reconstruir la evolución del cosmos, Lumina divide la materia oscura y el gas en cientos de miles de millones de elementos computacionales, cuyo comportamiento calcula a lo largo del tiempo. Así puede seguir cómo la gravedad reúne la materia, nacen las primeras galaxias y la radiación transforma el gas que llena el universo.
Para realizar estos cálculos, el equipo liderado por Oliver Zier utilizó Frontier, uno de los superordenadores más potentes del mundo, instalado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Estados Unidos. En los momentos de máxima actividad, la simulación llegó a utilizar el equivalente a más de 100.000 núcleos de procesador y unos 15.000 procesadores gráficos. El reto no consistía únicamente en calcular la gravedad o la formación de galaxias, sino también en seguir cómo la radiación viaja por el espacio e interactúa con el gas.
Ese detalle resulta fundamental para comprender dos grandes transformaciones de la historia cósmica: la reionización del hidrógeno y la del helio. Durante las primeras etapas del universo, el hidrógeno se encontraba principalmente en forma de átomos neutros. La luz ultravioleta emitida por las primeras estrellas y galaxias fue arrancando electrones de esos átomos, creando regiones ionizadas que se expandieron hasta que la radiación pudo propagarse con mucha mayor libertad.
Lumina indica que la reionización del hidrógeno estuvo impulsada principalmente por las primeras galaxias y sus estrellas. La del helio, que requiere radiación más energética, tuvo un motor diferente: los agujeros negros supermasivos que acumulaban materia en el centro de galaxias activas. En esas condiciones, el material que cae hacia el agujero negro puede liberar enormes cantidades de energía, capaz de ionizar el helio del gas intergaláctico. La simulación sigue ambos procesos dentro del mismo modelo, permitiendo estudiar cómo se influyen mutuamente la formación de estructuras cósmicas y la radiación que estas producen. Según sus cálculos, la reionización del hidrógeno fue un proceso relativamente tardío.
El equipo de Zier ha puesto Lumina a disposición de la comunidad científica. Sus enormes poblaciones de galaxias simuladas permitirán estudiar tanto objetos comunes como estructuras raras, y ayudarán a comprobar si las teorías actuales explican lo que vemos en el universo temprano. La simulación también podría contribuir a predecir las señales de ondas gravitacionales asociadas a galaxias y agujeros negros primitivos. Este recorrido espacial y temporal permite seguir la aparición de las primeras estrellas, la evolución de las galaxias y la propagación de su radiación a escalas cósmicas.