Simulaciones del universo

Científicos de los institutos Max Planck de Astrofísica y Astronomía han realizado la simulación más completa de la historia de toda la vida del universo, reproduciendo su evolución general, incluido el nacimiento de estrellas y galaxias. Así lo recogen dos estudios publicados en 'Monthly Notices of the Royal Astronomical Society'. El trabajo ha calculado la evolución de 20.000 millones de partículas utilizando el programa IllustrisTNG, y ha requerido la contribución de 16.000 núcleos del supercomputador Hazel Hen, situado en Stuttgart y capaz de calcular 7,4 billones de operaciones por segundo a lo largo de un año entero.

El resultado consta realmente de tres simulaciones simultáneas, la mayor en un cubo de 980 millones de años luz de arista para ver la evolución general del universo, y dos en volúmenes más pequeños, una para ver los detalles en la formación de las galaxias y otra a escala intermedia para observar la coherencia entre las otras 2 simulaciones y con el anterior programa Illustris. Se trata de una de las computaciones astrofísicas más complejas hechas hasta el momento. El modelo ha revelado, por primera vez, que la geometría de los flujos de gas cósmico alrededor de las galaxias determina su estructura, y viceversa. También ha permitido observar como las galaxias adquieren su estructura aplanada a partir de nubes amorfas de gas con el tiempo.

Para realizar este modelo, los científicos del Max Planck han tenido en cuenta la materia y la energía oscuras, en las proporciones que se estima que existían en los primeros tiempos del universo y en la actualidad. Algo normal, ya que hace casi medio siglo que los astrónomos están convencidos de que la mayor parte del universo está formado por materia oscura, que solo podemos detectar gracias a su gravedad. Y aunque, por el momento, nadie ha conseguido averiguar de qué está hecha esa materia, ni descubrir las partículas que la forman, todos están de acuerdo en que, sin materia oscura, las galaxias no podrían mantenerse unidas y el universo entero sería muy diferente del que conocemos.

O casi todos, porque un equipo europeo de investigadores del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear, acaba de hacer una simulación que muestra como sería un universo sin materia oscura, y el resultado ha sido sorprendente. Utilizando una nueva teoría conocida como MOND, crearon una simulación de ordenador en la que, incluso sin materia oscura, las galaxias tienen un aspecto muy similar a las que vemos hoy. Ese inesperado hallazgo, recién publicado en The Astrophysical Journal, podría ayudar a esclarecer uno de los mayores misterios de la cosmología.

La teoría MOND se basa en la dinámica de Newton modificada. En esta teoría, la gravedad no se comporta siempre de la misma forma, sino que su acción y efectos dependen de la escala. De este modo, la atracción entre dos masas obedece las leyes de movimiento de Newton en función de las condiciones. A bajas aceleraciones, como es el caso de las galaxias, los efectos de la gravedad se vuelven considerablemente más fuertes. La teoría podría explicar porqué las galaxias no se descomponen a causa de su velocidad de rotación; además, resulta atractiva porque hace que la existencia de la materia oscura no sea necesaria para explicar el universo que vemos. Sin embargo, todavía no está probada ni verificada.

La simulación se centró en el nacimiento de las primeras estrellas y galaxias, entre 100.000 y 300.000 años después del Big Bang, y trató de seguir su evolución en el transcurso del tiempo. Después de eliminar la materia oscura de la ecuación, los investigadores no se encontraron con un universo caótico, sino con otro en el que las estrellas y las galaxias seguían los mismos patrones que son visibles en la actualidad.

A su favor tiene, además, que resultó prácticamente inmune a los cambios en los parámetros iniciales, como la frecuencia de las supernovas y su efecto sobre la distribución de materia en las galaxias, cosa que no sucede suponiendo la existencia de materia oscura, cuyas simulaciones resultan extremadamente sensibles a estos cambios de parámetros.

Sin embargo, suponer la existencia de materia oscura hace que el universo funcione mucho mejor a escalas más grandes. Herramientas de nueva generación, como el telescopio espacial James Webb, ayudarán a esclarecer el misterio ofreciendo una imagen mucho más acertada de la geometría del universo, y de como realmente la materia oscura ha afectado a su evolución.

Una simulación destaca entre las demás por su impresionante nivel de definición, y en ella han participado investigadores del CSIC. Veinte millones de horas de trabajo del ordenador ATERUI II, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, capaz de realizar mil billones de cálculos por segundo, han recreado un universo de 2,1 billones de partículas en un cubo de 9.630 millones de años luz de lado, lo que equivale aproximadamente a algo más de la mitad de la distancia que existe entre la Tierra y las galaxias más distantes observadas hasta el momento. Ha sido bautizada como 'Uchuu', «espacio exterior» en japonés. Este impresionante universo virtual podrá ser utilizado tanto por grupos de investigación como por usuarios de la nube sin coste alguno. Permite recrear los procesos que dieron lugar a las mayores estructuras del universo y simular la evolución de la materia a lo largo de la mayor parte de su historia con un nivel de resolución nunca visto. La simulación fue presentada en un artículo publicado en 'Avisos mensuales' de la Royal Astronomical Society. Las simulaciones por ordenador son una herramienta muy útil, que permite comprobar la evolución de las teorías y compararlas con el universo actual. Además, funciona en doble sentido, ya que también permite exprimir las capacidades de los nuevos superordenadores y buscar mejoras para los mismos.