Materia oscura, estrellas y agujeros negros supermasivos: así es la simulación más detallada del universo

La formación de galaxias es una danza compleja entre la materia y la energía, que ocurre en un escenario de proporciones cósmicas y que abarca miles de millones de años. Cómo la diversidad de galaxias estructuradas y dinámicas que observamos hoy surgió del caos ardiente del Big Bang sigue siendo uno de los acertijos más difíciles de resolver de la cosmología.

Después de buscar por mucho tiempo algunas respuestas, un equipo internacional de científicos ha creado el modelo a gran escala más detallado del universo hasta la fecha, una simulación que llaman TNG50. Su universo virtual, de unos 230 millones de años luz de ancho, contiene decenas de miles de galaxias en evolución con niveles de detalle que antes solo se veían en modelos de una sola galaxia.

La simulación rastreó más de 20 mil millones de partículas que representan la materia oscura, gases, estrellas y agujeros negros supermasivos, durante un período de 13,7 mil millones de años, la edad estipulada del Universo conocido.

La resolución y escala sin precedentes permitieron a los investigadores recopilar información clave sobre el pasado de nuestro propio universo, revelando cómo varias galaxias de formas extrañas se transformaron y cómo las explosiones estelares y los agujeros negros desencadenaron esta evolución galáctica. Sus resultados se publicaron en la edición de diciembre de la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

La imagen de la evolución cósmica

TNG50 es la última simulación creada por el Proyecto IllustrisTNG , que tiene como objetivo construir una imagen completa de cómo evolucionó nuestro universo desde el Big Bang al producir un universo a gran escala sin sacrificar los detalles finos de galaxias individuales.

"Estas simulaciones son enormes conjuntos de datos donde podemos aprender mucho diseccionando y entendiendo la formación y evolución de las galaxias dentro de ellas", explicó Paul Torrey, profesor asociado de física en la Universidad de Florida y coautor del estudio.

Y agregó: "Lo que es fundamentalmente nuevo acerca de TNG50, es que está alcanzando una masa y resolución espacial suficientemente altas dentro de las galaxias que le dan una imagen clara de cómo se ve la estructura interna de los sistemas a medida que se forman y evolucionan".

La atención al detalle del modelo tiene un costo. La simulación requirió 16.000 núcleos de procesador de la supercomputadora Hazel Hen en Stuttgart, Alemania, funcionando continuamente durante más de un año. El mismo cálculo tomaría un solo sistema de procesador 15.000 años para computar. A pesar de ser una de las simulaciones astrofísicas más pesadas computacionalmente de la historia, los investigadores creen que su inversión valió la pena.

"Los experimentos numéricos de este tipo son particularmente exitosos cuando sacas más de lo que pones", precisó en un comunicado Dylan Nelson, becario postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astrofísica en Munich, Alemania, y coautor del estudio. "En nuestra simulación, vemos fenómenos que no se habían programado explícitamente en el código de simulación. Estos fenómenos surgen de manera natural, a partir de la compleja interacción de los ingredientes físicos básicos de nuestro universo modelo", completó.

Ese fenómeno emergente podría ser esencial para entender por qué nuestro universo aparece como es hoy 13,8 mil millones de años después del Big Bang. TNG50 permitió a los investigadores ver de primera mano cómo las galaxias pueden haber emergido de las turbulentas nubes de gas presentes poco después del nacimiento del universo.

Descubrieron que las galaxias en forma de disco comunes a nuestro vecindario cósmico surgieron naturalmente dentro de su simulación y produjeron estructuras internas, incluidos brazos espirales, protuberancias y barras que se extienden desde sus agujeros negros supermasivos centrales. Cuando compararon su universo generado por computadora con las observaciones de la vida real, descubrieron que su población de galaxias era cualitativamente consistente con la realidad.

A medida que sus galaxias continuaron aplanándose en discos giratorios bien ordenados, comenzó a surgir otro fenómeno: las explosiones de supernovas y los agujeros negros supermasivos en el corazón de cada galaxia crearon salidas de gas a alta velocidad. Estas salidas se transformaron en fuentes de gas que se elevan miles de años luz por encima de una galaxia.

El tirón de la gravedad eventualmente trajo gran parte de este gas de regreso al disco de la galaxia, redistribuyéndolo hacia su borde exterior y creando un circuito de retroalimentación del flujo de entrada y salida de gas. Además de reciclar los ingredientes para formar nuevas estrellas, también se demostró que los flujos de salida cambian la estructura de su galaxia. Los gases reciclados aceleraron la transformación de galaxias en discos rotativos delgados.

A pesar de estos hallazgos iniciales, el equipo está lejos de terminar de diseccionar su modelo. También planean publicar todos los datos de la simulación públicamente para que los astrónomos de todo el mundo estudien su cosmos virtual.

“Hay un gran camino por delante ahora que tenemos estas simulaciones completadas. Todo un equipo de investigadores está trabajando para comprender mejor las propiedades detalladas de las galaxias que se forman y qué tendencias emergentes aparecen en esos datos”, concluyó Torrey.

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