Una nueva simulación por ordenador llamada Lumina ofrece a los científicos una visión detallada de cómo el universo temprano pudo evolucionar desde la “edad oscura” cósmica hasta las primeras galaxias, estrellas y gas reionizado. El trabajo, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, combina la formación de galaxias y el transporte de radiación en un solo modelo que sigue la evolución cósmica durante 2.000 millones de años.
Datos clave
- Lumina comienza unos 45 millones de años después del Big Bang, durante la edad oscura del universo.
- La simulación abarca 500 megapársecs, o unos 1.600 millones de años luz.
- Rastrea materia oscura, gas, estrellas y radiación a lo largo de 2.000 millones de años de tiempo cósmico.
- El proyecto se basa en la simulación IllustrisTNG y se ejecutó en el superordenador Frontier del Laboratorio Nacional Oak Ridge.
- El equipo afirma que Lumina capta por primera vez en una sola simulación la reionización del hidrógeno y del helio.
Qué significa Lumina para quienes estudian el universo temprano
Para astrónomos y cosmólogos, Lumina ofrece una nueva forma de comparar la teoría con las observaciones de telescopios actuales y futuros. El equipo dice que la simulación produce grandes poblaciones de galaxias que pueden cotejarse con datos de futuras campañas de observación, lo que podría ayudar a acotar cómo se formaron las primeras galaxias y los primeros agujeros negros.
La simulación también es relevante porque vincula procesos a pequeña escala, como la formación estelar dentro de las galaxias, con la reionización cósmica a gran escala. Eso da a los investigadores una herramienta para estudiar cómo la luz ultravioleta de las primeras galaxias y la radiación energética de los agujeros negros supermasivos cambiaron el estado del hidrógeno y el helio en todo el universo.
- A quién afecta: investigadores que estudian galaxias tempranas, reionización cósmica y estructura a gran escala.
- Qué aporta: resultados de alta resolución en un volumen mucho mayor que en las mejores simulaciones previas, según el equipo.
- Qué viene ahora: los investigadores planean usar Lumina para mapear la estructura a gran escala del universo temprano y predecir posibles patrones de ondas gravitacionales.
¿Qué simula Lumina?
Lumina rastrea materia oscura, gas, estrellas y radiación en una gran región del universo temprano de 500 megapársecs de ancho. La simulación empieza en la edad oscura, cuando dominaba el hidrógeno neutro, y sigue al universo a través de cambios importantes en los que el hidrógeno y el helio se reionizaron.
Según los investigadores, la reionización del hidrógeno estuvo impulsada por la luz de las primeras galaxias y estrellas, mientras que la reionización del helio fue impulsada por radiación mucho más energética procedente de los primeros agujeros negros supermasivos en fases activas de acreción. El equipo afirma que esta es la primera simulación que capta ambos procesos.
¿Por qué importa la simulación?
Los investigadores dicen que Lumina cubre una brecha importante entre escalas muy pequeñas y muy grandes. Modela medio billón de elementos individuales, incluidos partículas de materia oscura y celdas de gas, y lo hace con una resolución unas 30 veces mayor que la de IllustrisTNG, mientras cubre un volumen unas 100 veces mayor que simulaciones anteriores.
Esa combinación permite seguir la formación de halos de materia oscura, el colapso del gas en galaxias y la propagación de la radiación desde las primeras estrellas. El equipo dice que la simulación está pensada para ayudar a interpretar instantáneas de telescopios nuevos y futuros.
¿Cómo se ejecutó Lumina?
El cálculo requirió recursos de supercomputación de gran escala. El equipo ejecutó Lumina en Frontier, el superordenador del Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, y afirma que el cálculo implicó el equivalente a más de 100.000 núcleos de CPU y alrededor de 15.000 GPU en el punto máximo.
El proyecto se apoya en IllustrisTNG, desarrollado anteriormente por científicos del MIT y otros centros. Para Lumina, el equipo refinó ese código para que pudiera modelar la formación de galaxias con más detalle sobre un volumen cósmico mucho mayor y combinarlo con física de transporte de radiación.
¿Qué ocurre después?
El equipo planea usar Lumina para mapear la estructura a gran escala del universo temprano y explorar qué patrones de ondas gravitacionales podrían producir las galaxias y los agujeros negros primigenios. También señalan que la simulación puede compararse con datos de futuras campañas de telescopios a medida que esas observaciones estén disponibles.
En ese sentido, Lumina no es solo una reconstrucción visual del universo temprano. También es un banco de pruebas para comprobar si la física incorporada en los modelos actuales puede reproducir la estructura que los astrónomos esperan encontrar en los datos reales.
