432.000 millones de trozos del universo: científicos retroceden la historia cósmica hasta sus orígenes para averiguar cómo terminó la era oscura

Los científicos crearon el modelo computacional Lumina, que permitió rastrear los primeros dos mil millones de años de la historia del Universo y determinar cómo el espacio salió de la era de oscuridad. Para los cálculos, los investigadores dividieron el gigantesco volumen de 1,6 mil millones de años luz de ancho en 432 mil millones de partículas y celdas de gas. La simulación mostró que las primeras estrellas ayudaron al hidrógeno a dejar de absorber la radiación ultravioleta, y que los agujeros negros supermasivos modificaron más tarde el estado del helio.

Tras el Big Bang, el Universo estaba lleno de materia increíblemente caliente. Gradualmente el espacio se enfrió y, aproximadamente 380.000 años después, los electrones pudieron combinarse con los núcleos atómicos. Surgieron átomos neutros de hidrógeno, pero aún no existían estrellas. Comenzó la era de oscuridad cósmica, cuando el espacio permaneció prácticamente sin fuentes propias de luz.

Los cambios comenzaron cuando la gravitación acumuló gas en nubes densas, en cuyo interior se encendieron las primeras estrellas. Los astros jóvenes emitían intensa radiación ultravioleta que arrancaba electrones de los átomos de hidrógeno. Los físicos llaman al proceso reionización. En torno a las primeras galaxias surgieron enormes regiones de gas ionizado que se expandían y gradualmente se fusionaban. El espacio intergaláctico se volvía cada vez más transparente a la luz ultravioleta.

Los investigadores pudieron reproducir detalladamente los cambios ocurridos con el modelo Lumina. Los cálculos mostraron que el hidrógeno cambió su estado de forma gradual y desigual. Algunas regiones quedaron libres del gas neutro mucho antes que otras. La mayor parte del espacio experimentó la reionización cuando la edad del Universo era de alrededor de 1,1 mil millones de años, sin embargo agrupaciones aisladas de hidrógeno neutro persistieron durante algún tiempo.

Con el helio la historia fue más interesante. Después de la primera fase de ionización al helio le quedaba aún un electrón, que se mantenía mucho más fuertemente unido. Las estrellas normales no emitían radiación suficientemente potente para completar la transformación a escala de todo el Universo. Según los cálculos, los agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias jóvenes desempeñaron el papel principal.

Cuando los agujeros negros absorbían activamente materia circundante, el gas a su alrededor se calentaba y emitía una cantidad enorme de energía. La potente radiación alcanzó regiones lejanas del espacio y arrancó los electrones restantes de los iones de helio. El proceso se extendió por cientos de millones de años y estuvo casi completo cuando el Universo tenía aproximadamente 2,1 mil millones de años. La radiación de los agujeros negros también calentó de forma notable el gas intergaláctico.

La principal característica de Lumina radica en la escala. Antes, a los investigadores les tocaba elegir entre modelar detalladamente pequeñas zonas del espacio o hacer cálculos menos precisos sobre volúmenes enormes. El nuevo modelo permitió combinar ambos enfoques. En cuanto al volumen cubierto, Lumina supera en aproximadamente cien veces a desarrollos comparables anteriores, y su nivel de detalle es suficiente para rastrear la formación de galaxias individuales.

Para los cálculos los científicos utilizaron el superordenador Frontier. Trabajaron simultáneamente más de 105.000 núcleos de procesador y más de 7.500 aceleradores gráficos. La máquina calculó cómo se mueve la materia ordinaria y la materia oscura, dónde nacen las estrellas, cómo crecen las galaxias y de qué manera la radiación cambia el gas circundante. El punto de partida fue un periodo aproximadamente 45 millones de años después del Big Bang.

La imagen resultante tiene una limitación importante. Lumina muestra la evolución del Universo conforme a las leyes conocidas de la física y las condiciones establecidas por los investigadores, por lo que los cálculos todavía no pueden considerarse una respuesta definitiva a todas las preguntas sobre las primeras galaxias. No obstante, el modelo ya reproduce varias características del cosmos temprano que los astrónomos han medido con telescopios.

Ahora los científicos podrán comparar los resultados de la simulación con las observaciones de las galaxias más distantes y comprobar hasta qué punto comprenden con precisión los procesos que ocurrieron hace miles de millones de años. Son especialmente interesantes los primeros agujeros negros supermasivos y las raras galaxias brillantes, que en modelos computacionales pequeños podrían simplemente no aparecer. Lumina permite seguir su evolución junto con el espacio circundante y entender cómo las primeras fuentes de radiación cambiaron todo un Universo.