Astrónomos revelan características notables de la época de reionización del Universo temprano         

 

Por Nadia Whitehead, Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica

24 de marzo de 2022.

Crédito: Colaboración Thesan.

 

Parecen luciérnagas parpadeando en la oscuridad. Lentamente, acumula más y más, iluminando la pantalla en grandes porciones y grupos.

 

Pero este no es un video sobre insectos. Es una simulación del Universo primitivo, una época posterior al Big Bang, cuando el cosmos se transformó de un lugar de total oscuridad a un entorno radiante y lleno de luz.

 

El impresionante video es parte de un gran conjunto de simulaciones descritas en una serie de tres artículos aceptados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Creado por investigadores del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y el Instituto Max Planck de Astrofísica, las simulaciones representan un avance monumental en la simulación de la formación de las primeras galaxias y la reionización, el proceso por el cual los átomos de hidrógeno neutro en el espacio se transforman en átomos con carga positiva, o hidrógeno ionizado, que permite que la luz se propague por todo el Universo.

 

El período simulado, conocido como la época de la reionización, tuvo lugar hace unos 13.000 millones de años y fue difícil de reconstruir, ya que implica interacciones caóticas inmensamente complicadas, incluidas las que se dan entre la gravedad, el gas y la radiación, o la luz.

 

"La mayoría de los astrónomos no tienen laboratorios para realizar experimentos. Las escalas de espacio y tiempo son demasiado grandes,  por lo que la única forma en que podemos hacer experimentos es con computadoras", explica Rahul Kannan, astrofísico del Centro de Astrofísica y líder autor del primer artículo de la serie. "Podemos tomar ecuaciones físicas básicas y modelos teóricos gobernantes para simular lo que sucedió en el Universo primitivo".

 

Las simulaciones del equipo, llamadas Thesan en honor a la diosa etrusca del amanecer, resuelven las interacciones en el Universo primitivo con el mayor detalle y el mayor volumen de cualquier simulación anterior. La física en el Universo primitivo se captura a escalas que son un millón de veces más pequeñas que las regiones simuladas, proporcionando detalles sin precedentes sobre las propiedades de las galaxias primitivas y cómo la luz de estas galaxias impactó el gas.

 

El equipo logra esto al combinar un modelo realista de formación de galaxias con un nuevo algoritmo que rastrea cómo la luz interactúa con el gas, junto con un modelo de polvo cósmico.

 

Con Thesan, los investigadores pueden simular una parte de nuestro Universo que abarca más de 300 millones de años luz. El equipo puede ejecutar la simulación hacia adelante en el tiempo para rastrear y visualizar la primera aparición y evolución de cientos de miles de galaxias dentro de este espacio, comenzando alrededor de 400.000 años después del Big Bang y durante los primeros mil millones de años.

 

Las simulaciones revelan un cambio gradual en el Universo de la oscuridad total a la luz.

 

"Es un poco como el agua en bandejas de cubitos de hielo; cuando lo pones en el congelador, toma tiempo, pero después de un tiempo comienza a congelarse en los bordes y luego se cuela lentamente", dice el coautor del estudio Aaron Smith, un becario Einstein de la NASA en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Esta era la misma situación en el Universo primitivo: era un cosmos neutral y oscuro que se volvió brillante e ionizado cuando la luz comenzó a emerger de las primeras galaxias".

 

Las simulaciones se crearon para prepararse para las observaciones del Telescopio espacial James Webb (JWST), que podrá mirar más atrás en el tiempo, aproximadamente 13.500 millones de años, que predecesores como el Telescopio espacial Hubble.

 

Evolución de las propiedades simuladas en la corrida principal de Thesan. El tiempo avanza de izquierda a derecha. La materia oscura (panel superior) colapsa en la estructura de la red cósmica, compuesta de cúmulos (halos) conectados por filamentos, y el gas (segundo panel desde arriba) sigue, colapsando para crear galaxias. Estos producen fotones ionizantes que impulsan la reionización cósmica (tercer panel desde arriba), calentando el gas en el proceso (panel inferior). Crédito: Créditos: Simulaciones THESAN.

 

"Muchos de los telescopios que se están poniendo en marcha, como el JWST, están diseñados específicamente para estudiar esta época",  dice Kannan. "Ahí es donde entran nuestras simulaciones; nos ayudarán a interpretar las observaciones reales de este período y comprender lo que estamos viendo".

 

Las observaciones y los datos reales del telescopio pronto se compararán con las simulaciones de Thesan, explica el equipo.

 

"Y esa es la parte interesante", dice el coautor del estudio Mark Vogelsberger, profesor asociado de física en el MIT. "O nuestras simulaciones y el modelo de Thesan estarán de acuerdo con lo que encuentra JWST, lo que confirmaría nuestra imagen del Universo, o habrá un desacuerdo significativo que muestra que nuestra comprensión del Universo primitivo es incorrecta".

 

El equipo, sin embargo, no sabrá cómo les va a varios aspectos de su modelo hasta que lleguen las primeras observaciones, que cubrirán una amplia gama de temas, incluidas las propiedades de las galaxias y la absorción y el escape de la luz en el Universo primitivo.

 

"Hemos desarrollado simulaciones basadas en lo que sabemos", dice Kannan. "Pero si bien la comunidad científica ha aprendido mucho en los últimos años, todavía hay bastante incertidumbre, especialmente en estos primeros tiempos cuando el Universo era muy joven".

 

Las simulaciones se crearon utilizando una de las supercomputadoras más grandes del mundo, la SuperMUC-NG, en el transcurso de 30 millones de horas de CPU. Las mismas simulaciones habrían requerido más de 3.500 años para completarse en una computadora normal.

 

Fuente:

https://phys.org/news/2022-03-video-astronomers-reveal-remarkable-simulations.html