Consiguen ‘atrapar’ en un superordenador el Universo temprano

Entre todos los misterios de la ciencia hay uno que engloba a todos los demás: ¿cómo surgió el Universo y cuáles fueron sus primeros pasos? ¿De dónde salió toda la materia, tanto la ordinaria como la oscura, que existe a nuestro alrededor? Y ¿cómo pudo aquel cosmos primitivo, caliente y casi completamente oscuro, transformarse en el inmenso escenario de estrellas, galaxias y planetas que hoy contemplamos?Responder a estas preguntas exige mucho más que observar el cielo. Exige reconstruir, mediante cálculos y simulaciones, lo que ocurrió cuando el Universo apenas acababa de nacer. Esa es la ambiciosa tarea de Lumina, una de las simulaciones cosmológicas más colosales, precisas y exhaustivas jamás creadas de los primeros compases de la Creación, desarrollada por investigadores del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y recién presentada en ‘ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ‘.A diferencia de hitos anteriores, como la famosa simulación internacional ‘Uchuu’ presentada en 2021 y que cartografió con éxito las estructuras de materia oscura, Lumina da un salto evolutivo gigantesco al integrar la llamada ‘hidrodinámica de la radiación’.El modelo no pretende explicar qué desencadenó el Big Bang. Eso está aún fuera de nuestro alcance. Pero su objetivo es igualmente gigantesco: averiguar cómo evolucionaron los ingredientes del Universo durante sus primeras etapas de existencia, y cómo dieron lugar a las estructuras que hoy vemos.Un Universo reconstruido desde ceroLumina no es un simple mapa estelar estático, sino un inmenso laboratorio virtual en tres dimensiones que recrea, de forma fidedigna, cómo la materia ordinaria, la materia oscura y la radiación interactuaron durante los primeros 2.000 millones de años de historia cósmica. Es decir, nos traslada justo a la época posterior al Big Bang, cuando las primeras galaxias comenzaron a encenderse y a rasgarcon su luz las vastas y frías regiones de gas intergaláctico. Y constituye un auténtico laboratorio en el que poner a prueba los desconcertantes hallazgos de los últimos años del Telescopio espacial James Webb.La simulación abarca una región cúbica de 500 megapársecs de lado (unos 1.500 millones de años luz), un espacio 100 veces mayor que el de las mejores simulacionescreadas anteriores. Y, pese a semejante extensión, conserva el detalle necesario para estudiar las galaxias y las fuentes de radiación que transformaron el cosmos.«Con el Webb- explica Oliver Zier, autor principal del estudio-, el Universo primitivo se ha convertido en una nueva y apasionante frontera de la astrofísica. Pero para entender lo que estamos viendo con este telescopio, necesitamos traducir nuestras teorías en predicciones detalladas Tras varios años de trabajo, con bastantes altibajos, resulta increíblemente gratificante ver los resultados de la simulación y contemplar cómo nuestras predicciones cobran vida en vídeo».O dicho de otro modo, Lumina permite ver en tiempo real cómo los vientos de gas, la abrumadora gravedad de la materia oscura y la incipiente radiación luminosa chocan, se fusionan y se moldean mutuamente.El modelo, además, es el primero en recrear con éxito el proceso simultáneo de la reionización del hidrógeno y del helio . Hay que recordar que, tras su nacimiento violento, el cosmos era una densa ‘niebla’ opaca de gas neutro en la que la luz no podía viajar libremente. Pues bien, Lumina muestra con un detalle exquisito cómo la radiación de las primeras estrellas actuó como un potente faro, disolviendo poco a poco esa bruma y volviendo el Universo transparente, tal y como lo conocemos hoy.«Nos sentimos increíblemente afortunados de poder construir simulaciones como Lumina -afirma Aaron Smith, físico de la Universidad de Texas en Dallas y coautor del artículo-. Por primera vez, podemos seguir de cerca cómo tanto el hidrógeno como el helio se transformaron a su forma moderna a lo largo de un volumen tan enorme del Universo, al tiempo que seguimos resolviendo las galaxias y otros objetos luminosos que impulsaron esa transformación».La fuerza bruta de ‘Frontier’Semejante proeza computacional habría sido imposible hace solo unos años. Alimentar los cálculos de esta simulación, de hecho, ha requerido someter a la máquina al esfuerzo de más de 15.000 unidades de procesamiento gráfico trabajando al unísono en ‘Frontier’, uno de los superordenadores más rápidos del mundo, ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, en Tennessee. En total, el cálculo maneja alrededor de 432.000 millones (casi medio billón) de elementos de resolución.Fue esta brutal potencia de cálculo la que permitió a los investigadores mantener un nivel de resolución inaudito, con capacidad para estudiar al mismo tiempo las grandes estructuras de la red cósmica y la minuciosa formación de agujeros negros individuales.Una herramienta para poner a prueba las teoríasEl momento no podría ser más oportuno. El telescopio espacial James Webb, en efecto, ha encontrado galaxias que ya existían apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang. Y algunas presentan características que obligan a examinar con más detalle las teorías sobre la formación galáctica y la capacidad de las primeras fuentes luminosas para abrirse paso a través del gas que las rodeaba. En abril de 2024, sin ir más lejos,la NASA informó de la detección de emisión de hidrógeno en JADES-GS-z14-0 , una galaxia de unos 290 millones de años después del Big Bang, un resultado que plantea nuevas preguntas sobre la evolución temprana del Universo.A este esfuerzo se sumará muy pronto el telescopio espacial Nancy Grace Roman, lanzado el pasado 30 de agosto y que, tras su fase de puesta en servicio, tiene previsto publicar sus primeras imágenes científicas a comienzos de 2027. Su capacidad para explorar amplias regiones del cielo permitirá estudiar poblaciones de galaxias y estructuras cósmicas que complementarán las observaciones más profundas del Webb.A partir de ahora, la comunidad científica mundial utilizará Lumina como un banco de pruebas inigualable. Cada vez que telescopios como el Webb descubran un rincón primitivo que desafíe toda lógica, los cosmólogos se asomarán a este Universo artificial. Si la simulación lo predijo, nuestra comprensión de la física estará a salvo. Si no es así, quizá haya llegado el momento de reescribir nuestra propia historia. Entre todos los misterios de la ciencia hay uno que engloba a todos los demás: ¿cómo surgió el Universo y cuáles fueron sus primeros pasos? ¿De dónde salió toda la materia, tanto la ordinaria como la oscura, que existe a nuestro alrededor? Y ¿cómo pudo aquel cosmos primitivo, caliente y casi completamente oscuro, transformarse en el inmenso escenario de estrellas, galaxias y planetas que hoy contemplamos?Responder a estas preguntas exige mucho más que observar el cielo. Exige reconstruir, mediante cálculos y simulaciones, lo que ocurrió cuando el Universo apenas acababa de nacer. Esa es la ambiciosa tarea de Lumina, una de las simulaciones cosmológicas más colosales, precisas y exhaustivas jamás creadas de los primeros compases de la Creación, desarrollada por investigadores del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y recién presentada en ‘ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ‘.A diferencia de hitos anteriores, como la famosa simulación internacional ‘Uchuu’ presentada en 2021 y que cartografió con éxito las estructuras de materia oscura, Lumina da un salto evolutivo gigantesco al integrar la llamada ‘hidrodinámica de la radiación’.El modelo no pretende explicar qué desencadenó el Big Bang. Eso está aún fuera de nuestro alcance. Pero su objetivo es igualmente gigantesco: averiguar cómo evolucionaron los ingredientes del Universo durante sus primeras etapas de existencia, y cómo dieron lugar a las estructuras que hoy vemos.Un Universo reconstruido desde ceroLumina no es un simple mapa estelar estático, sino un inmenso laboratorio virtual en tres dimensiones que recrea, de forma fidedigna, cómo la materia ordinaria, la materia oscura y la radiación interactuaron durante los primeros 2.000 millones de años de historia cósmica. Es decir, nos traslada justo a la época posterior al Big Bang, cuando las primeras galaxias comenzaron a encenderse y a rasgarcon su luz las vastas y frías regiones de gas intergaláctico. Y constituye un auténtico laboratorio en el que poner a prueba los desconcertantes hallazgos de los últimos años del Telescopio espacial James Webb.La simulación abarca una región cúbica de 500 megapársecs de lado (unos 1.500 millones de años luz), un espacio 100 veces mayor que el de las mejores simulacionescreadas anteriores. Y, pese a semejante extensión, conserva el detalle necesario para estudiar las galaxias y las fuentes de radiación que transformaron el cosmos.«Con el Webb- explica Oliver Zier, autor principal del estudio-, el Universo primitivo se ha convertido en una nueva y apasionante frontera de la astrofísica. Pero para entender lo que estamos viendo con este telescopio, necesitamos traducir nuestras teorías en predicciones detalladas Tras varios años de trabajo, con bastantes altibajos, resulta increíblemente gratificante ver los resultados de la simulación y contemplar cómo nuestras predicciones cobran vida en vídeo».O dicho de otro modo, Lumina permite ver en tiempo real cómo los vientos de gas, la abrumadora gravedad de la materia oscura y la incipiente radiación luminosa chocan, se fusionan y se moldean mutuamente.El modelo, además, es el primero en recrear con éxito el proceso simultáneo de la reionización del hidrógeno y del helio . Hay que recordar que, tras su nacimiento violento, el cosmos era una densa ‘niebla’ opaca de gas neutro en la que la luz no podía viajar libremente. Pues bien, Lumina muestra con un detalle exquisito cómo la radiación de las primeras estrellas actuó como un potente faro, disolviendo poco a poco esa bruma y volviendo el Universo transparente, tal y como lo conocemos hoy.«Nos sentimos increíblemente afortunados de poder construir simulaciones como Lumina -afirma Aaron Smith, físico de la Universidad de Texas en Dallas y coautor del artículo-. Por primera vez, podemos seguir de cerca cómo tanto el hidrógeno como el helio se transformaron a su forma moderna a lo largo de un volumen tan enorme del Universo, al tiempo que seguimos resolviendo las galaxias y otros objetos luminosos que impulsaron esa transformación».La fuerza bruta de ‘Frontier’Semejante proeza computacional habría sido imposible hace solo unos años. Alimentar los cálculos de esta simulación, de hecho, ha requerido someter a la máquina al esfuerzo de más de 15.000 unidades de procesamiento gráfico trabajando al unísono en ‘Frontier’, uno de los superordenadores más rápidos del mundo, ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, en Tennessee. En total, el cálculo maneja alrededor de 432.000 millones (casi medio billón) de elementos de resolución.Fue esta brutal potencia de cálculo la que permitió a los investigadores mantener un nivel de resolución inaudito, con capacidad para estudiar al mismo tiempo las grandes estructuras de la red cósmica y la minuciosa formación de agujeros negros individuales.Una herramienta para poner a prueba las teoríasEl momento no podría ser más oportuno. El telescopio espacial James Webb, en efecto, ha encontrado galaxias que ya existían apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang. Y algunas presentan características que obligan a examinar con más detalle las teorías sobre la formación galáctica y la capacidad de las primeras fuentes luminosas para abrirse paso a través del gas que las rodeaba. En abril de 2024, sin ir más lejos,la NASA informó de la detección de emisión de hidrógeno en JADES-GS-z14-0 , una galaxia de unos 290 millones de años después del Big Bang, un resultado que plantea nuevas preguntas sobre la evolución temprana del Universo.A este esfuerzo se sumará muy pronto el telescopio espacial Nancy Grace Roman, lanzado el pasado 30 de agosto y que, tras su fase de puesta en servicio, tiene previsto publicar sus primeras imágenes científicas a comienzos de 2027. Su capacidad para explorar amplias regiones del cielo permitirá estudiar poblaciones de galaxias y estructuras cósmicas que complementarán las observaciones más profundas del Webb.A partir de ahora, la comunidad científica mundial utilizará Lumina como un banco de pruebas inigualable. Cada vez que telescopios como el Webb descubran un rincón primitivo que desafíe toda lógica, los cosmólogos se asomarán a este Universo artificial. Si la simulación lo predijo, nuestra comprensión de la física estará a salvo. Si no es así, quizá haya llegado el momento de reescribir nuestra propia historia.  

Entre todos los misterios de la ciencia hay uno que engloba a todos los demás: ¿cómo surgió el Universo y cuáles fueron sus primeros pasos? ¿De dónde salió toda la materia, tanto la ordinaria como la oscura, que existe a nuestro alrededor? Y ¿cómo pudo … aquel cosmos primitivo, caliente y casi completamente oscuro, transformarse en el inmenso escenario de estrellas, galaxias y planetas que hoy contemplamos?

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