Los investigadores han logrado modelar las primeras luces del universo primitivo con una precisión asombrosa en un trabajo descrito como un «avance monumental».
Hace miles de millones de años, el Big Bang encendió nuestro universo. Este inmenso cataclismo cósmico ha convertido nuestro mundo en una burbuja de gas sobrecalentado que se expande rápidamente; en el espacio de unos pocos nanosegundos, dio a luz a una gigantesca burbuja de gas en rápida expansión, y se sobrecalentó a más de 100 billones de billones de grados Celsius.
Pero eso fue solo el comienzo de una larga reacción en cadena. Después de esta colosal detonación, el Universo no tomó inmediatamente la forma que conocemos hoy. Para generar toda la materia, comenzando con los átomos que componen los cuerpos celestes actuales, tuvo que pasar por un período al que a veces se hace referencia como “Edad Oscura”.
Y hubo luz
Esto corresponde a un larga fase de enfriamiento que duró varios cientos de millones de años; En ese momento, el Universo estaba completamente negro, ya que aún no se habían formado las estrellas capaces de iluminarlo. Y desde que esta teoría tomó forma, muchos astrónomos y físicos han estado tratando de averiguar cómo el universo pudo salir de este letargo.
Posteriormente, gigantescas nubes de gas terminaron siendo comprimidas bajo el efecto de las fuerzas gravitatorias involucradas; en ciertos puntos, esta presión resultó lo suficientemente intensa como para prenderle fuego, dando lugar así a la primera generación de estrellas.
Pero a partir de ese momento, cuya edad se estima en 13.000 millones de años, estas antiguas estrellas jugaron un papel decisivo en la secuencia de los acontecimientos a través de un proceso conocido como “reinonización”. Las primeras estrellas irradiaban su entorno hasta el punto para ionizar todo el material circundante; esto significa que despojaron las cargas eléctricas de los átomos, dando lugar así a un gran desorden cósmico basado en partículas.
Esto tuvo una consecuencia muy concreta; los átomos de hidrógeno, más o menos omnipresentes en ese momento, se transformaron luego en iones cargado positivamente. Este es un paso absolutamente decisivo; heredó el apodo muy poético de «amanecer cósmico» en la literatura científica, porque es esta ionización la que ha permitió que la luz viajara a los cuatro rincones del universo.
Un colosal modelo de computadora
Pero este escenario y sus modalidades siguen siendo debatidos en el ámbito científico; hoy todavía es muy difícil decir algo con certeza cuando se trabaja en hechos tan distantes en el tiempo. Para estudiar esta transición crítica, como suele ser el caso en esta disciplina, los investigadores se basan en simulaciones por computadora.
El problema es que estos son extremadamente complejos, según la propia admisión de los investigadores. De hecho, la reionización implica interacciones “inmensamente caótico y complejo”, entre varios y variados actores como la gravedad, los gases y la radiación, incluida la luz. Por lo tanto, para simularlo correctamente, es necesario modelar estos relaciones delicadas en escalas fenomenales y lapsos de tiempo.
Por estas razones, solo hay un puñado de laboratorios en el mundo que tienen el hardware para realizar simulaciones de esta magnitud. “La mayoría de los astrónomos no tienen acceso a un laboratorio en el que realizar tales experimentos. Las escalas de tiempo y espacio son demasiado grandes.”, explica Rahul Kannan, astrofísico afiliado a la Universidad de Cambridge.
Y precisamente, la prestigiosa universidad es una de las pocas instituciones que cuenta tanto con el equipo como con el cerebro necesarios para llevar a cabo este tipo de grandes proyectos. Esto es lo que Kannan y sus colegas intentaron hacer.
Para lograrlo, intentaron combinar tres elementos gracias a la supercomputadora SuperMUC-NG. Una máquina colosal que no estaba de más; los investigadores estiman que este trabajo podría haber tomado … más 3500 años a una computadora estándar. Una figura que ilustra la complejidad del problema.
Armado con este gigante computacional, el equipo comenzó combinando una simulación de polvo cósmico con el mejor modelo actual de formación de galaxias. Luego introdujeron un «nuevo algoritmo» que «rastrea cómo la luz interactúa con los gases».
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Un compendio de miles de millones de años de cosmología.
Y aparentemente era la receta correcta; lograron producir un modelo denominado tesan, después de la diosa etrusca del amanecer. Esta es la primera simulación coherente ya gran escala de reionización; representa los eventos cósmicos que ocurren en un área de 300 millones de años luz por mucho tiempo varios miles de millones de años. ¡Las primeras luces del Universo nunca han estado tan cerca!
Gracias a Thesan, los investigadores pudieron visualizar las interacciones del universo primitivo con un nivel de detalle sin precedentes, completamente desconocido hasta la fecha. Una oportunidad de oro para descubrir detalles fascinantes sobre las propiedades del mundo en ese momento. En particular, pudieron detenerse en la iluminación progresiva de este universo negro como el ébano.
“Es como agua en una bandeja de cubitos de hielo.”, explica Aaron Smith, coautor del estudio. “Lleva tiempo, pero después de un tiempo los bordes se congelan y el helado se abre camino hacia el centro.«, el explica. “Era lo mismo en el universo primitivo. Era un cosmos oscuro, neutro, que se ionizó e iluminó cuando la luz comenzó a emerger de las primeras galaxias”.
Una herramienta al servicio del Telescopio James Webb
Y lo más interesante es que estas fascinantes imágenes llenas de implicaciones no fueron producidas por diversión. Al contrario: servirán como una herramienta de trabajo muy concreta. Thesan formará un dúo de choque con el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el nuevo favorito de la industria aeroespacial que actualmente está completando sus preparativos finales.
“Muchos telescopios como el JWST están diseñados específicamente para estudiar esta era.”, explica Kannan. “Aquí es donde entran nuestras simulaciones; ayudarán a interpretar las observaciones reales y comprender lo que veremos”, especifica. Y hay mucho en juego: se trata de validar el modelo global en el que se basa nuestra comprensión del universo, solo eso !
“Y aquí es donde se pone interesante.”, continúa su colega Mark Vogelsberger. “Nuestras simulaciones podrían ser consistentes con las observaciones del JWST; en este caso, confirmaría la relevancia de nuestro modelado«, el explica. “O podría haber una diferencia significativa, lo que mostraría que nuestra comprensión del universo primitivo es incorrecta. !”
Pero no deberías tener prisa; las primeras respuestas no llegarán inmediatamente. Habrá que empezar por esperar a la puesta en marcha definitiva del telescopio. Entonces habrá que esperar a que fije su objetivo en sus primeros blancos; en la actualidad, la NASA sigue negándose a comunicar la identidad de su primer objeto de estudio, que sigue siendo calificado como “supersecreto”.
Una vez dado este paso, cada elemento deberá recontextualizarse y luego integrarse en nuevos modelos que a su vez serán comparados con Thesan. Sólo entonces los investigadores pueden obtener finalmente algunas respuestas a esta pregunta decisiva. Baste decir que el camino sigue siendo largo; pero mientras tanto, siempre podemos consolarnos con trabajos fascinantes como este… y con las muy esperadas primeras imágenes del JWST, que deberían llegarnos dentro de unos meses.
