Los científicos desarrollan el modelo más grande y detallado del universo primitivo

Apr 16, 2023

Todo comenzó hace unos 13.800 millones de años con una gran "explosión" cosmológica que trajo al universo a la existencia de forma repentina y espectacular. Poco después, el universo infantil se enfrió drásticamente y se oscureció por completo.

Luego, un par de cientos de millones de años después del Big Bang, el universo se despertó, cuando la gravedad reunió materia en las primeras estrellas y galaxias. La luz de estas primeras estrellas convirtió el gas circundante en un plasma ionizado caliente, una transformación crucial conocida como reionización cósmica que impulsó al universo a la estructura compleja que vemos hoy.

Ahora, los científicos pueden obtener una información detalladavista de cómo se pudo haber desarrollado el universo durante este período crucial con una nueva simulación, conocida como Thesan, desarrollada por científicos del MIT, la Universidad de Harvard y el Instituto Max Planck de Astrofísica.

Nombrado en honor a la diosa etrusca del amanecer, Thesan está diseñado para simular el "amanecer cósmico", y específicamente la reionización cósmica, un período que ha sido difícil de reconstruir, ya que implica interacciones caóticas inmensamente complicadas, incluidas las de la gravedad, el gas, y radiación.

La simulación de Thesan resuelve estas interacciones con el mayor detalle y el mayor volumen de cualquier simulación anterior. Lo hace combinando un modelo realista de formación de galaxias con un nuevo algoritmo que rastrea cómo la luz interactúa con el gas, junto con un modelo de polvo cósmico.

Con Thesan, los investigadores pueden simular un volumen cúbico del universo que abarca 300 millones de años luz de diámetro. Ejecutan la simulación hacia adelante en el tiempo para rastrear la primera aparición y evolución de cientos de miles de galaxias dentro de este espacio, comenzando alrededor de 400,000 años después del Big Bang y durante los primeros mil millones de años.

Hasta ahora, las simulaciones se alinean con las pocas observaciones que los astrónomos tienen del universo primitivo. A medida que se realizan más observaciones de este período, por ejemplo con el recién lanzado telescopio espacial James Webb, Thesan puede ayudar a ubicar tales observaciones en el contexto cósmico.

Por ahora, las simulaciones están comenzando a arrojar luz sobre ciertos procesos, como qué tan lejos puede viajar la luz en el universo primitivo y qué galaxias fueron responsables de la reionización.

"Thesan actúa como un puente hacia el universo primitivo", dice Aaron Smith, miembro de la NASA Einstein en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Está destinado a servir como una contraparte de simulación ideal para las próximas instalaciones de observación, que están preparadas para alterar fundamentalmente nuestra comprensión del cosmos".

Smith y Mark Vogelsberger, profesor asociado de física en el MIT, Rahul Kannan del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y Enrico Garaldi de Max Planck han presentado la simulación de Thesan a través de tres artículos, el tercero publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. .

En las primeras etapas de la reionización cósmica, el universo era un espacio oscuro y homogéneo. Para los físicos, la evolución cósmica durante estas primeras "edades oscuras" es relativamente simple de calcular.

"En principio, podría resolver esto con lápiz y papel", dice Smith. "Pero en algún momento la gravedad comienza a juntar y colapsar la materia, al principio lentamente, pero luego tan rápido que los cálculos se vuelven demasiado complicados y tenemos que hacer una simulación completa".

Para simular completamente la reionización cósmica, el equipo buscó incluir tantos ingredientes importantes del universo primitivo como fuera posible. Comenzaron con un modelo exitoso de formación de galaxias que sus grupos desarrollaron previamente, llamado Illustris-TNG, que ha demostrado simular con precisión las propiedades y poblaciones de galaxias en evolución. Luego desarrollaron un nuevo código para incorporar cómo la luz de las galaxias y las estrellas interactúa con el gas circundante y lo reioniza, un proceso extremadamente complejo que otras simulaciones no han podido reproducir con precisión a gran escala.

"Thesan sigue cómo la luz de estas primeras galaxias interactúa con el gas durante los primeros mil millones de años y transforma el universo de neutral a ionizado", dice Kannan. "De esta manera, seguimos automáticamente el proceso de reionización a medida que se desarrolla".

Finalmente, el equipo incluyó un modelo preliminar de polvo cósmico, otra característica que es exclusiva de tales simulaciones del universo primitivo. Este modelo temprano tiene como objetivo describir cómo los pequeños granos de material influyen en la formación de galaxias en el universo primitivo y disperso.

Con los ingredientes de la simulación en su lugar, el equipo estableció sus condiciones iniciales para alrededor de 400.000 años después del Big Bang, basándose en mediciones de precisión de la luz reliquia del Big Bang. Luego desarrollaron estas condiciones en el tiempo para simular una parte del universo, utilizando la máquina SuperMUC-NG, una de las supercomputadoras más grandes del mundo, que aprovechó simultáneamente 60 000 núcleos de computación para llevar a cabo los cálculos de Thesan en un equivalente de 30 millones de CPU. horas (un esfuerzo que habría llevado 3.500 años ejecutarse en un solo escritorio).

Las simulaciones han producido la vista más detallada de la reionización cósmica, en el mayor volumen de espacio, de cualquier simulación existente. Mientras que algunas simulaciones modelan grandes distancias, lo hacen con una resolución relativamente baja, mientras que otras simulaciones más detalladas no abarcan grandes volúmenes.

"Estamos uniendo estos dos enfoques: tenemos gran volumen y alta resolución", enfatiza Vogelsberger.

Los primeros análisis de las simulaciones sugieren que hacia el final de la reionización cósmica, la distancia que la luz podía viajar aumentó más dramáticamente de lo que los científicos habían supuesto previamente.

"Thesan descubrió que la luz no viaja grandes distancias en los inicios del universo", dice Kannan. "De hecho, esta distancia es muy pequeña y solo se vuelve grande al final de la reionización, aumentando en un factor de 10 en solo unos pocos cientos de millones de años".

Los investigadores también ven indicios del tipo de galaxias responsables de impulsar la reionización. La masa de una galaxia parece influir en la reionización, aunque el equipo dice que más observaciones, realizadas por James Webb y otros observatorios, ayudarán a precisar estas galaxias predominantes.

"Hay muchas partes móviles [en el modelado de la reionización cósmica]", concluye Vogelsberger. "Cuando podemos juntar todo esto en algún tipo de maquinaria y comenzar a ejecutarla y produce un universo dinámico, ese es un momento muy gratificante para todos nosotros".

Esta investigación fue apoyada en parte por la NASA, la Fundación Nacional de Ciencias y el Centro Gauss de Supercomputación.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web del Instituto Tecnológico de Massachusetts