Lumina recrea los primeros 2.000 millones de años del universo a escala récord

Lumina es la mayor simulación de radiación e hidrodinámica del universo primitivo hecha hasta ahora. Desarrollada en el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, recrea los primeros 2.000 millones de años del cosmos en un cubo de 1.500 millones de años luz de lado y reproduce por primera vez cómo se ionizaron el hidrógeno y el helio.

¿Qué es la reionización del universo?

Es la época en la que la luz de las primeras estrellas y galaxias arrancó los electrones a los átomos de gas que llenaban el universo y lo volvió transparente a esa luz. Es uno de los grandes cambios de la historia cósmica y uno de los menos conocidos.

Unos 380.000 años después del Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente para que se formaran átomos neutros de hidrógeno y helio. Empezó entonces una larga etapa sin estrellas, la llamada edad oscura. Cuando se encendieron las primeras estrellas y galaxias, su intensa radiación ultravioleta fue ionizando el gas a su alrededor en burbujas cada vez mayores, hasta que estas se unieron. El hidrógeno se reionizó durante los primeros mil millones de años; el helio, que necesita más energía, más tarde, sobre todo por la radiación de los cuásares.

¿Qué hace diferente a la simulación Lumina?

Su tamaño y que calcula a la vez la gravedad, el gas y la luz. Las simulaciones cosmológicas suelen elegir: o cubren un volumen enorme con poco detalle, o recrean con detalle una región pequeña. Lumina, presentada en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, es la mayor simulación cosmológica de radiación-hidrodinámica creada hasta la fecha: además de la materia oscura y el gas, sigue cómo viaja la luz de las estrellas y cómo calienta e ioniza el gas.

Un volumen tan grande permite reunir suficientes ejemplos de objetos raros, como galaxias muy brillantes o regiones de formación estelar extrema, que en una simulación pequeña apenas aparecerían. Es justo el tipo de objetos que el telescopio James Webb está encontrando en el universo temprano.

¿Por qué importa simular también el helio?

Porque la reionización del helio calentó el gas intergaláctico y cambió cómo se formaron después las galaxias, y hasta ahora ninguna simulación de este tamaño la había incluido con sus efectos. «Por primera vez podemos seguir cómo el hidrógeno y el helio se transformaron en su forma actual», explica Aaron Smith, profesor de Física de la Universidad de Texas en Dallas y coautor del trabajo.

Ionizar por completo el helio exige fotones mucho más energéticos que los de las estrellas normales, que solo producen en abundancia los cuásares, agujeros negros supermasivos que devoran materia en el centro de las galaxias y cuyo brillo puede variar mucho, como muestra el caso de este agujero negro supermasivo. Incluir ese proceso permite estudiar cómo influyó el calor que liberó en el gas entre galaxias.

¿Para qué sirve frente al James Webb?

Para tener un universo de referencia con el que comparar las observaciones. «Con el JWST, el universo temprano se ha convertido en una nueva y apasionante frontera de la astrofísica», afirma Oliver Zier, investigador del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y autor principal.

El James Webb está descubriendo galaxias y estructuras más maduras de lo esperado para su edad, como el cúmulo XLSSC 122, con un exceso de materia oscura en su núcleo. Una simulación como Lumina permite comprobar si esos objetos encajan en el modelo cosmológico estándar o si apuntan a que falta algo. También servirá para preparar las observaciones de gran campo del futuro telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA.

El equipo planea usarla para estudiar cómo circula el gas entre galaxias, cómo influyó la radiación del Big Bang en la evolución cósmica y cómo se desarrollaron las regiones de formación estelar intensa.

¿Qué límites tiene una simulación?

Una simulación no es una observación: reproduce el universo según las leyes físicas y los modelos que se le introducen. Procesos que ocurren a escalas mucho menores que su resolución, como la formación de cada estrella o el crecimiento de cada agujero negro, se incorporan mediante recetas aproximadas, y los resultados dependen de ellas.

Por eso su valor está en la comparación con los datos reales. Si las predicciones de Lumina coinciden con lo que observan los telescopios, refuerzan el modelo; si no, señalan dónde hay que revisarlo. Con la cosecha del James Webb y de los próximos grandes cartografiados del cielo, esa comparación empieza a ser posible a una escala inédita.

Preguntas frecuentes

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