Hay un viejo chiste entre los estudiantes de astronomía sobre una pregunta en el examen final de una clase de cosmología. Dice así: «Describe el Universo y da tres ejemplos». Bueno, un equipo de investigadores en Alemania, EE. UU. y el Reino Unido dio un gran paso para dar al menos un ejemplo preciso del Universo.
Para hacerlo, utilizaron un conjunto de simulaciones llamado “MillenniumTNG”. Traza la acumulación de galaxias y la estructura cósmica a lo largo del tiempo. También proporciona una nueva visión del modelo cosmológico estándar del Universo. Es lo último en simulaciones cosmológicas, uniéndose a esfuerzos tan ambiciosos como el proyecto AbacusSummit de hace un par de años.
Este proyecto de simulación tiene en cuenta tantos aspectos de la evolución cósmica como sea posible. Utiliza simulaciones de materia regular (bariónica) (que es lo que vemos en el Universo). También incluye la materia oscura, los neutrinos y la todavía misteriosa energía oscura sobre los mecanismos de formación del Universo. Esa es una tarea difícil.
Simulando el Universo
Más de 120 000 núcleos de computadora en el SuperMUC-NG en Alemania se pusieron a trabajar en los datos para MillenniumTNG. Eso rastreó la formación de unos cien millones de galaxias en un área del espacio de unos 2.400 millones de años luz de diámetro. Luego, el Cosma8 en Durham se puso a trabajar calculando un volumen mayor del Universo pero lleno de un billón de partículas de materia oscura simuladas y otros 10 mil millones que rastreaban la acción de neutrinos masivos.
El resultado de este cálculo numérico fue un área simulada del Universo que reflejaba la formación y distribución de las galaxias. El tamaño era lo suficientemente grande como para que los cosmólogos puedan usarlo para extrapolar suposiciones sobre todo el Universo y su historia. También pueden usarlo para buscar «grietas» en el Modelo Cosmológico Estándar del Universo.
El modelo cosmológico y la predicción
Los cosmólogos tienen este modelo básico que proponen para explicar la evolución del Universo. Dice así: El Universo tiene diferentes tipos de materia. Hay materia bariónica ordinaria, que es de lo que estamos hechos todos nosotros y las estrellas, planetas y galaxias. Es un poco menos del 5% de las «cosas» del cosmos. El resto es materia oscura y energía oscura.
La comunidad de cosmología llama a este extraño conjunto de circunstancias cósmicas el modelo «Lambda Cold Dark Matter» (LCDM, para abreviar). De hecho, describe bastante bien el Universo. Sin embargo, hay algunas discrepancias. Eso es lo que las simulaciones deberían ayudar a resolver. El modelo se basa en datos de una gran variedad de fuentes, desde la radiación cósmica de microondas hasta la «red cósmica», donde las galaxias se organizan a lo largo de una intrincada red de filamentos de materia oscura.
Lo que todavía falta es una buena comprensión de qué es exactamente la materia oscura. Y, en cuanto a la energía oscura, bueno, es un desafío. Y, los astrofísicos y cosmologías buscan una mejor comprensión de LCDM y la existencia de las dos grandes incógnitas. Eso requiere muchas observaciones nuevas y sensibles de los astrónomos. En el otro lado de la moneda, también necesita predicciones más detalladas de lo que realmente implica el modelo LCDM. Es un gran desafío y es lo que impulsa las grandes simulaciones de MillenniumTNG. Si los cosmólogos pueden simular con éxito el Universo, entonces pueden usar esas simulaciones para ayudar a comprender lo que sucede «en la vida real». Eso incluye características de galaxias tanto en el Universo moderno como en épocas muy tempranas.
Comprender y predecir las orientaciones de las galaxias en el universo utilizando MillenniumTNG
Las simulaciones MillenniumTNG siguen proyectos de simulación anteriores llamados «Millennium» e «IllustrisTNG». Este conjunto más reciente brinda una herramienta para aclarar algunas lagunas en su comprensión de cosas como la evolución de las galaxias y sus formas (o morfología).
Los astrónomos conocen desde hace mucho tiempo algo llamado «alineaciones intrínsecas de galaxias». Esto es básicamente una tendencia de las galaxias a orientar sus formas en direcciones similares, por razones que nadie comprende del todo.
Resulta que las lentes gravitacionales débiles afectan la forma en que vemos la alineación de las galaxias. Las simulaciones de MillenniumTNG podrían permitir a los astrónomos medir dichas alineaciones en el «mundo real» utilizando sus alineaciones simuladas. Eso es un gran paso adelante, según Ana María Delgado, miembro del equipo. “Quizás nuestra determinación de la alineación intrínseca de las orientaciones de las galaxias pueda ayudar a resolver la discrepancia actual entre la amplitud del agrupamiento de materia inferido por lentes débiles y el fondo cósmico de microondas”, dijo.
sondeando el pasado
Al igual que con otras áreas de la cosmología, el grupo MillenniumTNG está investigando el Universo muy joven a través de simulaciones. Este es un tiempo posterior a la Época de Reionización cuando las primeras estrellas ya brillaban y evolucionaron las primeras galaxias. Algunas de esas primeras galaxias son bastante grandes, lo que parece un poco fuera de contexto con un universo infantil. El Telescopio Espacial James Webb (JWST) los ha visto y la pregunta sigue siendo: ¿cómo llegaron a ser tan masivos en tan poco tiempo después del Big Bang?
Las simulaciones de MillenniumTNG en realidad parecen replicar esta tendencia de algunas galaxias tempranas a crecer en poco tiempo. Por lo general, esto es alrededor de 500 millones de años después del Big Bang. Entonces, ¿por qué estas galaxias son tan masivas? El astrónomo Rahul Kannan sugiere un par de ideas para explicar eso. “Quizás la formación de estrellas es mucho más eficiente poco después del Big Bang que en épocas posteriores, o quizás las estrellas masivas se forman en mayores proporciones en ese entonces, lo que hace que estas galaxias sean inusualmente brillantes”, explicó.
Ahora que JWST está investigando incluso en épocas anteriores de la historia cósmica, será interesante ver si las simulaciones predicen lo que encuentra. Kennan sugiere que bien podría haber desacuerdo entre el universo real y las simulaciones. Si eso sucede, les dará a los cosmólogos otra pregunta desconcertante sobre las épocas más tempranas de la historia cósmica.
El futuro de la exploración del universo real y simulado
Las próximas décadas de estudios cosmológicos se beneficiarán enormemente de simulaciones como Millennium TNG. Sin embargo, las simulaciones son tan buenas como los datos que reciben y las suposiciones que hacen sus equipos científicos. MillenniumTNG se beneficia de vastas bases de datos de información, además de las habilidades de las supercomputadoras para procesar sus datos. Según el investigador principal del equipo, el profesor Volker Springel del Instituto Max Planck, las simulaciones que produjeron más de 3 petabytes de datos son un activo importante para la cosmología.
“MillenniumTNG combina los avances recientes en la simulación de la formación de galaxias con el campo de la estructura cósmica a gran escala, lo que permite un modelado teórico mejorado de la conexión de las galaxias con la columna vertebral de la materia oscura del Universo”, dijo. «Esto bien puede resultar fundamental para el progreso en cuestiones clave en cosmología, como la mejor manera de restringir la masa de neutrinos con datos de estructura a gran escala».
Ciertamente, sus predicciones cuadran con los objetivos del proyecto MillenniumTNG. Los equipos continúan construyendo sobre el éxito del proyecto IllustrisTNG, que realizó simulaciones hidrodinámicas, así como la simulación Millennium de solo materia oscura creada hace casi una década. Las simulaciones del equipo se han utilizado para estudiar varios temas de galaxias diferentes. Incluyen el agrupamiento de materia y halos de galaxias, cúmulos y distribución de galaxias, modelos de formación de galaxias, poblaciones de galaxias en el universo primitivo, esas alineaciones intrínsecas de galaxias y otros temas relacionados. Si bien es posible que aún no puedan definir el Universo por completo (y dar tres ejemplos), el equipo de MillenniumTNG está dando grandes pasos para comprender su origen y evolución.
Para más información
Buscando grietas en el modelo cosmológico estándar
Página web del proyecto MillenniumTNG
