Un equipo internacional de científicos desarrolló Lumina, una de las simulaciones cosmológicas más grandes y detalladas realizadas hasta ahora, con la que es posible estudiar cómo evolucionó el universo durante sus primeros 2.000 millones de años.
El proyecto, presentado por investigadores del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y colaboradores de otras instituciones, reproduce mediante cálculos informáticos la interacción entre el gas, la materia oscura y la radiación. Su propósito es comprender mejor cómo aparecieron las primeras galaxias y de qué manera estas modificaron el entorno que las rodeaba.
El avance cobra relevancia en un momento en que el telescopio espacial James Webb permite observar galaxias muy antiguas y aporta nuevos datos sobre las primeras etapas de la historia cósmica.
Un universo virtual de dimensiones extraordinarias
Lumina representa una región del cosmos equivalente a un cubo de aproximadamente 1.500 millones de años luz por lado. De acuerdo con los investigadores, su volumen supera en más de cien veces el de simulaciones comparables anteriores.
Para realizar los cálculos, el equipo utilizó Frontier, una supercomputadora instalada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Estados Unidos. El procesamiento requirió miles de unidades de procesamiento gráfico y una enorme capacidad de cálculo para representar tanto las estructuras cósmicas a gran escala como los procesos que ocurren dentro de las galaxias.
A diferencia de los modelos que se concentran principalmente en la distribución de la materia, Lumina combina la evolución de las galaxias con el seguimiento de la radiación y sus efectos sobre el gas interestelar e intergaláctico.
Esto permite a los científicos explorar distintos fenómenos de manera conjunta y elaborar predicciones que posteriormente pueden contrastarse con observaciones astronómicas.
La luz de las primeras estrellas transformó el cosmos
Uno de los principales fenómenos estudiados mediante Lumina es la reionización, una etapa decisiva en la evolución del universo.
Después del Big Bang, el cosmos se expandió y se enfrió hasta permitir la formación de átomos neutros, principalmente de hidrógeno. Durante un periodo conocido como la Edad Oscura, todavía no existían las numerosas estrellas y galaxias que caracterizan al universo actual.
Con el nacimiento de las primeras estrellas, la radiación ultravioleta comenzó a separar los electrones de los átomos de hidrógeno. Este proceso transformó progresivamente el gas que llenaba el espacio entre las galaxias y permitió que la luz se propagara con mayor libertad.
La transición no ocurrió de manera uniforme. Distintas regiones se ionizaron en momentos diferentes, dependiendo de la distribución de las estrellas, las galaxias y otras fuentes de radiación.
Lumina también permite investigar la reionización del helio, impulsada en gran medida por la intensa radiación de los núcleos galácticos activos, donde pueden encontrarse agujeros negros supermasivos que absorben materia y liberan enormes cantidades de energía.
Una herramienta para interpretar los descubrimientos del James Webb
Las observaciones del telescopio espacial James Webb han ampliado el conocimiento sobre las galaxias del universo temprano. Sin embargo, identificar estos objetos no basta para explicar completamente cómo se formaron y evolucionaron.
En este contexto, las simulaciones funcionan como laboratorios virtuales: permiten calcular cómo deberían comportarse la materia y la radiación según las leyes físicas conocidas y comparar después esas predicciones con los datos obtenidos por los telescopios.
Cuando las observaciones coinciden con los resultados de los modelos, los científicos encuentran respaldo para sus explicaciones. Si aparecen diferencias, estas pueden señalar procesos físicos que todavía necesitan investigarse.
Los investigadores esperan que Lumina también contribuya a interpretar futuros datos del telescopio espacial Nancy Grace Roman, una misión de la NASA diseñada para estudiar grandes regiones del universo y ampliar las investigaciones sobre galaxias y estructuras cósmicas.
Un nuevo recurso para estudiar el origen de las galaxias
Además de reconstruir etapas tempranas de la evolución cósmica, Lumina ofrece oportunidades para examinar cómo circula el gas entre las galaxias, cómo cambia la temperatura del universo y qué influencia ejercen los agujeros negros supermasivos sobre su entorno.
Los resultados no constituyen una grabación directa del pasado, sino una representación matemática basada en modelos físicos y condiciones iniciales definidas por los investigadores. Su valor reside en permitir que distintas hipótesis sobre el universo temprano sean examinadas a gran escala y comparadas con la evidencia disponible.
Con esta herramienta, la comunidad científica dispone de un nuevo recurso para estudiar cómo el universo pasó de una etapa dominada por gas y oscuridad a otra poblada por estrellas, galaxias y complejas estructuras cósmicas.
El siguiente desafío será contrastar sus predicciones con nuevas observaciones para precisar qué mecanismos impulsaron la formación de las primeras galaxias y cómo la radiación contribuyó a dar forma al universo que conocemos actualmente.
