Desde mediados del siglo XX, los científicos han tenido una idea bastante buena de cómo surgió el Universo. La expansión cósmica y el descubrimiento del fondo cósmico de microondas (CMB) le dio credibilidad a la teoría del Big Bang, y la tasa de expansión acelerada llevó a teorías sobre la energía oscura. Aún así, hay mucho sobre el Universo temprano que los científicos aún no conocen, lo que requiere que confíen en simulaciones sobre la evolución cósmica.
Tradicionalmente, esto ha planteado un pequeño problema ya que las limitaciones de la informática significaron que la simulación podría ser a gran escala o detallada, pero no ambas. Sin embargo, un equipo de científicos de Alemania y Estados Unidos completó recientemente la simulación a gran escala más detallada hasta la fecha. Conocida como TNG50, esta simulación de vanguardia permitirá a los investigadores estudiar cómo evolucionó el cosmos tanto en detalle como a gran escala.
TNG50 es la última simulación producida por IllustrisTNG, un proyecto en curso dedicado a la creación de grandes simulaciones cosmológicas de formación de galaxias. Es innovador porque evita que los astrónomos tradicionales se vean obligados a luchar. En resumen, las simulaciones detalladas sufrieron de bajo volumen en el pasado, lo que dificultó las deducciones estadísticas sobre la evolución cósmica a gran escala.
Las simulaciones de gran volumen, por otro lado, tradicionalmente carecen de detalles para reproducir muchas de las propiedades a pequeña escala de las del Universo, lo que hace que sus predicciones sean menos confiables. El TNG50 es la primera simulación de este tipo en que logra combinar la idea de simulaciones a gran escala, el concepto de "Universo en una caja", con el tipo de resolución que anteriormente solo era posible con simulaciones de galaxias.
Esto fue posible gracias a la supercomputadora Hazel Hen en Stuttgart, donde 16,000 núcleos trabajaron juntos durante más de un año, la simulación más larga e intensiva en recursos hasta la fecha. La simulación en sí consiste en un cubo de espacio que mide más de 230 millones de años luz de diámetro que contiene más de 20 mil millones de partículas que representan materia oscura, estrellas, gas cósmico, campos magnéticos y agujeros negros supermasivos (SMBH).
TNG50 también puede discernir fenómenos físicos que ocurren en escalas de hasta una millonésima parte del volumen total (es decir, 230 años luz). Esto permite que la simulación rastree la evolución simultánea de miles de galaxias en el transcurso de 13.8 mil millones de años de historia cósmica. Los resultados de su simulación se publicaron en dos artículos que aparecieron recientemente en la revista. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
Ambos estudios fueron dirigidos por la Dra. Annalisa Pillepich del Instituto Max Planck de Astronomía y el Dr. Dylan Nelson del Instituto Max Planck de Astrofísica. Como Dylan explicó en un comunicado de prensa de RAS:
“Los experimentos numéricos de este tipo son particularmente exitosos cuando saca más de lo que ingresa. En nuestra simulación, vemos fenómenos que no se habían programado explícitamente en el código de simulación. Estos fenómenos surgen de manera natural, a partir de la compleja interacción de los ingredientes físicos básicos de nuestro universo modelo ".
Además, TNG50 es la primera simulación de este tipo de dos fenómenos emergentes que juegan un papel clave en la evolución de las galaxias. Primero, el equipo de investigación notó que al mirar hacia atrás en el tiempo, las galaxias de disco ordenadas y de rotación rápida (como la Vía Láctea) surgieron de nubes de gas inicialmente caóticas.
A medida que este gas se asentó, las estrellas recién nacidas adoptaron órbitas cada vez más circulares, dando paso a grandes galaxias espirales. Como explicó la Dra. Annalisa Pillepich:
"En la práctica, TNG50 muestra que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea con su disco delgado, está a la altura de la moda de las galaxias: en los últimos 10 mil millones de años, al menos las galaxias que todavía están formando nuevas estrellas se han vuelto cada vez más parecidas a un disco, y sus movimientos internos caóticos han disminuido considerablemente. ¡El Universo era mucho más desordenado cuando tenía solo unos pocos miles de millones de años!
El segundo fenómeno emergente apareció cuando las galaxias se aplanaron en la simulación, donde se vieron vientos de gas de alta velocidad saliendo de las galaxias. Esto fue impulsado por explosiones de supernovas y actividad de SMBH en el corazón de las galaxias simuladas. Una vez más, el proceso fue inicialmente caótico con el flujo de gas en todas las direcciones, pero eventualmente se centró más en un camino de menor resistencia.
En la época cosmológica actual, estos flujos se vuelven en forma de cono y fluyen desde los extremos opuestos de la galaxia, con el material disminuyendo a medida que sale de la gravedad invisible del halo de materia oscura de la galaxia. Finalmente, este material deja de fluir hacia afuera y comienza a retroceder, convirtiéndose efectivamente en una fuente galáctica de gas reciclado.
En otras palabras, esta simulación también es la primera de su tipo en mostrar cómo la geometría del gas cósmico fluye alrededor de las galaxias determina sus estructuras (y viceversa). Por su trabajo, el Dr. Pillepich y el Dr. Nelson recibieron el Premio Golden Spike 2019, otorgado a los miembros de la comunidad internacional de investigación por el Centro de Computación de Alto Rendimiento en Stuttgart, Alemania.
El Dr. Nelson y sus colegas también planean lanzar eventualmente todos los datos de simulación TNG50 a la comunidad astronómica y al público. Esto permitirá a los astrónomos y científicos ciudadanos hacer sus propios descubrimientos a partir de la simulación, lo que podría incluir ejemplos adicionales de fenómenos cósmicos emergentes o resoluciones a misterios cósmicos perdurables.
