La mayor parte de la astronomía observacional consiste en modelar e interpretar. El público ve bonitas imágenes de exoplanetas, estrellas, nebulosas y galaxias cuyo aspecto nace en los superordenadores. Por eso es aún más importante crear modelos nuevos y más precisos, sobre todo del universo temprano, para cuya observación la ciencia apenas dispone de instrumentos.
Visualización de la red cósmica en una región de 650 millones de años luz de anchura. Fuente de la imagen: MIT
Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), junto con colegas de otras instituciones, han presentado Lumina, una simulación informática a gran escala que reproduce los primeros dos mil millones de años de evolución del universo. Los cálculos permiten seguir cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias a partir de las inhomogeneidades iniciales en la distribución de la materia, y cómo cambió el estado del gas intergaláctico bajo el efecto de la radiación.
El proyecto Lumina pretende ayudar a los investigadores a entender los procesos que sacaron al universo de la época de las «edades oscuras» cósmicas. Esto fue posible a medida que se formaron las primeras estrellas, mientras que la radiación de fondo dejó de actuar como «linterna»: se desplazó al rango de microondas y perdió energía.
Para realizar los cálculos, los investigadores utilizaron el superordenador Frontier del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), en Estados Unidos. En el pico de carga, los cálculos emplearon más de 100.000 núcleos de procesador y unos 15.000 procesadores gráficos. La simulación abarcó una región cúbica del espacio de aproximadamente 1.630 millones de años luz de lado. El modelo incluye unos 432.000 millones de elementos que representan la materia oscura y el gas. Según los autores, la escala del volumen simulado es unas 100 veces mayor que la de simulaciones anteriores destinadas a estudios comparables.
Lumina se basa en el complejo de software perfeccionado IllustrisTNG, ampliado con la modelización del transporte de radiación. El proyecto permite simular a la vez la formación gravitatoria de estructuras, el movimiento de la materia, la formación de estrellas y la ionización del medio intergaláctico. Se presta especial atención a dos etapas clave de la historia cósmica: la reionización del hidrógeno bajo el efecto de la radiación de estrellas y galaxias jóvenes, y la posterior ionización del helio, en la que desempeñaron un papel relevante los agujeros negros supermasivos activos.
Los autores señalan que Lumina permite estudiar estos procesos en un único modelo que abarca tanto la estructura a gran escala del universo como galaxias individuales en formación. Los resultados obtenidos podrán compararse con las observaciones del telescopio espacial James Webb y del futuro telescopio Roman, para poner a prueba los modelos de formación temprana de estrellas y de evolución de galaxias.
La simulación, sin embargo, no puede considerarse una reconstrucción directa del pasado: calcula la evolución probable de las estructuras cósmicas a partir de modelos físicos y de condiciones iniciales dadas. El modelo estará completamente abierto a los científicos, algo que se espera a partir de 2028.