Una enorme simulación cósmica se envuelve, recreando más del universo.

Hay un viejo chiste entre los estudiantes de astronomía sobre una pregunta en el examen final de una clase de cosmología. Se ve así: «Describe el universo y da tres ejemplos». Bueno, un equipo de investigadores en Alemania, Estados Unidos y el Reino Unido ha dado un gran paso para dar al menos un ejemplo preciso de cómo se ve el universo.

Para ello, utilizaron un conjunto de simulaciones llamado «MillenniumTNG». Realiza un seguimiento de la acumulación de galaxias y la estructura cósmica a través del tiempo. También proporciona una nueva visión del modelo cosmológico estándar del universo. Es lo último en simulaciones cosmológicas y se une a esfuerzos tan ambiciosos como el proyecto AbacusSummit de hace dos años.

Este proyecto de simulación tiene en cuenta tantos aspectos de la evolución cósmica como sea posible. Utiliza simulaciones de materia ordinaria (bariónica) (que es lo que vemos en el universo). También incluye materia oscura, neutrinos y energía oscura cuyos mecanismos para formar el universo aún son oscuros. Esta es una solicitud larga.

Simulación del universo

Más de 120.000 centros de computación en SuperMUC-NG en Alemania se pusieron a trabajar en los datos para MillenniumTNG. A esto le siguió la formación de unos cien millones de galaxias en una región del espacio con un diámetro de unos 2.400 millones de años luz. Luego, Cosma8 en Durham se puso a trabajar calculando un universo más grande que el tamaño pero lleno de un billón de partículas de materia oscura simuladas y otros 10 mil millones siguiendo la acción de neutrinos masivos.

Proyecciones de gas (arriba a la izquierda), materia oscura (arriba a la derecha) y luz estelar (abajo al centro) de un chip en la simulación hidrodinámica más grande de MillenniumTNG en la era actual. La rebanada tiene un grosor de unos 35 millones de años luz. Cortesía de MPA.

El resultado de esta cantidad de crujidos fue una región simulada del universo que refleja la composición y distribución de las galaxias. El tamaño era lo suficientemente grande como para que los cosmólogos pudieran usarlo para extrapolar suposiciones sobre todo el universo y su historia. También pueden usarlo para buscar «grietas» en el modelo cosmológico estándar del universo.

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Modelo cosmológico y 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, estrellas, planetas y galaxias. Es un poco menos del 5% de las «cosas» del universo. El resto es materia oscura y energía oscura.

Modelo compuesto de distribución de materia (con superposición de materia oscura) en una simulación de formación de galaxias realizada por TNG Collaboration.
Modelo compuesto de distribución de materia (con superposición de materia oscura) en una simulación de formación de galaxias realizada por TNG Collaboration.

La comunidad cosmológica llama a este extraño conjunto de condiciones cósmicas el modelo de «materia oscura Lambda fría» (LCDM, para abreviar). De hecho, describe muy bien el universo. Sin embargo, hay algunas inconsistencias. Esto es lo que la simulación debería 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.

Todavía falta una buena comprensión de qué es exactamente la materia oscura. Y para la energía oscura, es un desafío. Y los astrofísicos y cosmólogos buscan comprender mejor el LCDM y la existencia de dos grandes incógnitas. Eso requiere muchas observaciones nuevas y sensibles de los astrónomos. En el otro lado de la moneda, también necesitan predicciones más detalladas de lo que realmente sugiere 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, pueden usar esas simulaciones para ayudar a comprender lo que sucede «en la vida real». Esto incluye las propiedades de las galaxias tanto en el universo moderno como en el muy primitivo.

Comprender y predecir las tendencias de las galaxias en el universo utilizando MillenniumTNG

Las simulaciones MillenniumTNG siguen los proyectos de simulación anteriores llamados «Millennium» e «IllustrisTNG». Este grupo más nuevo proporciona una herramienta para señalar algunas de las lagunas en su comprensión de cosas como la evolución y las formas (o morfología) de las galaxias.

Los astrónomos conocen desde hace mucho tiempo algo llamado «alineación galáctica intrínseca». Esta es básicamente una tendencia de las galaxias a orientar sus formas en direcciones similares, por razones que nadie comprende completamente.

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Resulta que una lente gravitacional débil afecta la forma en que vemos la alineación de la galaxia. Las simulaciones de MillenniumTNG podrían permitir a los astrónomos medir dichas alineaciones en el «mundo real» utilizando alineaciones simuladas. Este es un gran paso adelante, según la miembro del equipo Ana María Delgado. «Tal vez nuestra determinación de la alineación intrínseca de las direcciones de las galaxias pueda ayudar a resolver la discrepancia actual entre la amplitud de la materia del cúmulo deducida de la lente débil y el fondo cósmico de microondas», dijo.

sonando pasado

Al igual que con otros campos de la cosmología, el grupo MillenniumTNG está examinando el universo muy joven a través de simulaciones. Este es el tiempo posterior a la era de la reionización cuando las primeras estrellas ya brillaban intensamente y evolucionaron las primeras galaxias. Algunas de esas primeras galaxias son muy grandes, lo que parece fuera del contexto del universo joven. Han sido vistos por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) y la pregunta sigue siendo: ¿Cómo llegaron a ser tan masivos en tan poco tiempo después del Big Bang?

La simulación MillenniumTNG parece replicar esta tendencia de algunas galaxias tempranas a crecer exponencialmente en poco tiempo. Típicamente, esto sería alrededor de 500 millones de años después del Big Bang. Entonces, ¿por qué estas galaxias son tan masivas? El astrónomo Rahul Kannan ofrece algunas ideas para explicar esto. «Quizás la formación de estrellas fue más eficiente poco después del Big Bang en comparación con épocas posteriores, o es posible que las estrellas masivas se formaran a un ritmo más alto en ese momento, lo que hizo que estas galaxias fueran inusualmente brillantes», explicó.

Ahora que el JWST está analizando épocas anteriores de la historia cósmica, será interesante ver si las simulaciones predicen lo que encuentra. Keenan sugiere que puede haber una brecha entre el universo real y la simulación. Si eso sucede, planteará otra pregunta desconcertante para los cosmólogos sobre las primeras eras de la historia cósmica.

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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, así como de las capacidades de las supercomputadoras para procesar sus datos. Según el investigador principal del equipo, el profesor Volker Sprengel del Instituto Max Planck, las simulaciones que han generado más de 3 petabytes de datos son una gran ventaja para la cosmología.

«MillenniumTNG combina los avances recientes en las simulaciones de formación de galaxias con el campo de la estructura cósmica a gran escala, lo que permite un mejor modelado teórico de la conexión de las galaxias con la columna vertebral de la materia oscura del universo», dijo. «Esto podría ser muy útil para avanzar en cuestiones clave en cosmología, como cómo la masa de neutrinos puede limitarse mejor mediante datos de estructura a gran escala».

Distribución de galaxias en MillenniumTNG, donde se proyectan galaxias y ubicaciones como parte de la simulación. Las observaciones reales de las galaxias pueden verse perturbadas por los cambios del efecto Doppler, que pueden incluirse en la simulación. Cortesía de MPA.

Sus predicciones ciertamente se alinean con los objetivos del Proyecto MillenniumTNG. Los equipos continúan construyendo sobre el éxito del proyecto IllustrisTNG, que ejecutó simulaciones hidrodinámicas además de la simulación Millennium solo de materia oscura creada hace casi una década. Las simulaciones del equipo se han utilizado para estudiar una serie de temas galácticos diferentes. Incluyen la agregación de materia y halos de galaxias, cúmulos de galaxias y su distribución, modelos de formación de galaxias, cúmulos de galaxias en el universo temprano, esas alineaciones intrínsecas de galaxias y otros temas relacionados. Si bien es posible que no puedan definir completamente el universo (y dar tres ejemplos), el equipo de MillenniumTNG está logrando grandes avances en la comprensión de su origen y evolución.

para más información

Buscando grietas en el modelo cosmológico estándar
Página web del proyecto MillenniumTNG

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