La simulación del universo más perfecta jamás creada

Simulación de un cúmulo de galaxias. Los centros galácticos, en rojo, están más calientes. Las partes brillantes corresponden a halos de gas difuso - Colaboración TNG

Investigadores han hecho una de las computaciones astrofísicas más complejas para representar 13.800 millones de años de historia en un pequeño cubo del cosmos. Gracias a eso han observado nuevas propiedades de las galaxias
Imaginemos por un momento que el universo entero es una persona. La humanidad ha nacido cuando esa persona ya es adulta y madura, pero nos interesa saber cómo fue su adolescencia, su niñez y su nacimiento, hace 13.800 millones de años. Para averiguarlo, no podemos viajar atrás en el tiempo, pero podemos mirar con nuestros instrumentos lo más lejos posible, para captar la luz que las galaxias distantes emitieron hace miles de millones de años, cuando esta persona era más joven. De esa forma, entre otras cosas, los cosmólogos tratan de entender la evolución del universo: cómo se condensó la materia, cuándo el universo se hizo transparente, dónde y por qué la masa se acumuló en algunos lugares mientras el espacio-tiempo se expandía. Y también cómo nacieron las semillas de estrellas y galaxias, los primeros agujeros negros, cómo y cuándo murieron las primeras estrellas o cómo envejecen las galaxias.

A fin de cuentas, todos esos fenómenos complejos y fascinantes, que parecen fruto de la fantasía, son reales, están al otro lado de un simple telescopio, y explican de dónde venimos y dónde vivimos. Dos estudios publicados esta semana en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society han hecho un importante esfuerzo para reconstruir la historia del universo. Científicos de los Institutos Max Planck de Astrofísica y Astronomía (Alemania), han realizado la simulación más completa de la historia de toda la vida del universo, reproduciendo su evolución general, pero también el nacimiento de estrellas y galaxias. El trabajo ha emulado la evolución de 20.000 millones de partículas y ha requerido la contribución de 16.000 núcleos del supercomputador Hazel Hen, durante 24 horas al día, todos los días a la semana, a lo largo de un año entero.

Un universo en miniatura

El resultado de todo este trabajo es TNG50, la simulación cosmológica a gran escala más detallada hasta la fecha. Además, dicho modelo ha revelado, por primera vez, que la geometría de los flujos de gas cósmico alrededor de las galaxias determina su estructura, y viceversa. También ha permitido observar cómo con el tiempo las galaxias adquieren su estructura aplanada a partir de nubes amorfas de gas.

La virtud de TNG50 es combinar dos simulaciones: una que representa la evolución de todo el universo en una «caja», y otra que ha sido capaz de descender hasta un elevado nivel de detalle, eso sí, a costa de la grandiosa inversión en recursos de un supercomputador. De hecho, esta es una de las computaciones astrofísicas más complejas hechas hasta el momento.
Varias simulaciones de galaxias espirales. El modelo empleado en estos trabajos, TNG50, ha arrojado nueva luz sobre el proceso de formación de los discos galácticos - D. Nelson (MPA) and the Illustris TNG team

El resultado es la simulación de un «cubo» del universo de 230 millones de años luz de lado, con la capacidad de discernir acontecimientos con una resolución temporal de un millón de años. Además, TNG50 sigue la evolución de miles de galaxias y de 20.000 millones de partículas, que representan a la materia oscura, estrellas, gas cósmico, campos magnéticos y agujeros negros supermasivos, durante un periodo de 13.800 millones de años.
Propiedades emergentes en el universo

«Los experimentos numéricos como este son particularmente exitosos cuando obtienes más de lo que inviertes», ha dicho en un comunicado Dylan Nelson, codirector de las investigaciones junto a Annalisa Pillepich. «En nuestra simulación, hemos visto fenómenos que no habían sido programados explícitamente en el código. Sencillamente, han emergido de forma natural, a causa de la compleja interacción de los ingredientes físicos básicos de nuestro modelo del universo».

De hecho, la simulación TNG50 ha reflejado dos comportamientos emergentes sin que estuviera programada para ello. Uno es la formación de discos galácticos en rotación a partir de grandes y caóticas nubes de gas en épocas tempranas. El otro es la generación de fuertes «vientos» de gas originados en supernovas y agujeros negros supermasivos.
Flujos de gas que salen del centro de las galaxias y que vuelven a caer en la periferia, como si fueran un surtidor - D. Nelson (MPA) and the Illustris TNG team
El nacimiento de galaxias

El primer fenómeno muestra cómo nubes amorfas se aplanan, giran y dan lugar a galaxias espirales. Además, según Annalisa Pillepich, el trabajo muestra cómo en los últimos 10.000 millones de años las galaxias han estado aplanándose y su caótica estructura se ha ordenado considerablemente: «¡El Universo era mucho más caótico cuando solo tenía unos pocos miles de millones de años!», ha dicho la investigadora.

Además, si en tiempos más pretéritos las galaxias emitían chorros de gas en todas direcciones, a causa de la actividad de las supernovas y de los agujeros negros supermasivos, con el tiempo estos flujos tendieron a orientarse, hasta quedar contenidos en dos grandes conos, en cuyo centro está la propia galaxia.
Fuentes galácticas

Además, en la simulación se observa cómo el flujo de estos chorros se ralentiza como consecuencia del tirón de los halos de materia oscura. Así hasta el punto de que los chorros vuelven hacia atrás, y caen sobre la periferia de las galaxias, como si fueran una fuente, permitiendo el reciclaje de esa materia y esa energía. De hecho, según los autores, estos surtidores promueven que la galaxia tenga forma de disco, y el propio disco promueve la formación de estas fuentes.

Los resultados de estos dos estudios ya son interesantes por sí solos, pero en un futuro los datos de la simulación TNG50 quedarán a disposición de todos los astrónomos. Por eso, los autores de estos estudios esperan que se puedan descubrir nuevas propiedades emergentes del universo. Seguramente, ayudarán a comprender la apasionante historia del lugar en que vivimos.

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