N.R. FULLER, NATIONAL SCIENCE FOUNDATION

Científicos han utilizando modelos de simulaciones durante 20 años para comprender mejor la historia de las estrellas y galaxias más antiguas, el Amanecer Cósmico.

Este periodo abarca de la aparición de las primeras estrellas –después de 100 millones de años de oscuridad tras el Big Bang–, hasta que éstas, extremadamente brillantes, convertían los átomos circundantes en iones.

“¿De dónde vinieron estas estrellas? ¿Y cómo se convirtieron en las galaxias, el Universo repleto de radiación y plasma, que vemos hoy? Estas son nuestras preguntas clave”, dice el profesor Michael Norman, director del Centro de Supercomputación de San Diego, Estados Unidos, y director autor de una nueva reseña publicada en ‘Frontiers in Astronomy and Space Sciences’.

Investigadores como el profesor Norman resuelven ecuaciones matemáticas en un universo virtual cúbico. “Hemos pasado más de 20 años utilizando y refinando este software para comprender mejor el Amanecer Cósmico”, relata. Para empezar, se creó un código que permitió la formación de las primeras estrellas en el universo. Estas ecuaciones describen el movimiento y las reacciones químicas dentro de las nubes de gas en un universo antes de la luz, y la inmensa atracción gravitatoria de una masa mucho más grande pero invisible de misteriosa materia oscura.

“Estas nubes de hidrógeno puro y helio se derrumbaron bajo la gravedad para encender estrellas masivas, cientos de veces más pesadas que nuestro Sol”, explica Norman. Los primeros elementos pesados se formaron en los núcleos de las ollas a presión de las primeras estrellas: solo un poco de litio y berilio. Pero con la muerte de estos gigantes de corta vida, que colapsaron y explotaron en deslumbrantes supernovas, se crearon metales tan pesados ??como el hierro en abundancia y rociaron el espacio.

Se agregaron ecuaciones al Universo virtual para modelar el enriquecimiento de nubes de gas con estos metales recién formados, lo que impulsó la formación de un nuevo tipo de estrella. “La transición fue rápida: en 30 millones de años, prácticamente todas las nuevas estrellas se enriquecieron con el metal”, detalla. Esto fue a pesar del hecho de que el enriquecimiento químico fue local y lento, dejando más del 80 por ciento del universo virtual libre de metales al final de la simulación.

“La formación de estrellas gigantes libres de metal no se detuvo por completo; deberían existir pequeñas galaxias de estas estrellas donde haya suficiente materia oscura para enfriar nubes prístinas de hidrógeno y helio. Pero sin esta gran atracción gravitacional, la intensa radiación de las estrellas existentes calienta las nubes de gas y desgarra sus moléculas. Así que, en la mayoría de los casos, el gas sin metal se colapsa por completo para formar un solo agujero negro supermasivo”, explica.

DE LAS ESTRELLAS A LAS GALAXIAS

“Las nuevas generaciones de estrellas que se formaron en las galaxias son más pequeñas y mucho más numerosas, debido a las reacciones químicas posibles con los metales”, observa Norman. El aumento en el número de reacciones en las nubes de gas les permitió fragmentarse y formar múltiples estrellas a través del ‘enfriamiento de la línea de metal’: extensiones de densidad de gas disminuida, donde los elementos combinados ganan espacio para irradiar su energía al espacio, en lugar de entre sí.

En esta etapa, están los primeros objetos en el universo que legítimamente se pueden llamar galaxias: una combinación de materia oscura, gas enriquecido con metales y estrellas. “Las primeras galaxias son más pequeñas de lo esperado porque la radiación intensa de estrellas jóvenes y masivas expulsa el gas denso de las regiones de formación estelar. A su vez, la radiación de las galaxias más pequeñas contribuyó significativamente a la reionización cósmica”, detalla este experto.

Estas galaxias difíciles de detectar, pero numerosas, pueden explicar la fecha final predicha del Amanecer Cósmico, es decir, cuando se completó la reionización cósmica. Norman y sus colegas explican cómo algunos grupos están superando las limitaciones informáticas en estas simulaciones numéricas al importar sus resultados listos para usar o al simplificar partes de un modelo menos relevante para los resultados de interés.

“Estos métodos semi-analíticos se han utilizado para determinar con mayor precisión cuánto tiempo se crearon las estrellas primitivas masivas sin metal, cuántas deberían ser aún observables, y la contribución de éstas, así como los agujeros negros y las estrellas enriquecidas con metal, a la reionización cósmica”, añade Norman.

Los autores también resaltan áreas de incertidumbre que impulsarán una nueva generación de simulaciones, utilizando códigos nuevos, en futuras plataformas informáticas de alto rendimiento. “Esto nos ayudará a comprender el papel de los campos magnéticos, los rayos X y el polvo espacial en el enfriamiento de gases, y la identidad y el comportamiento de la misteriosa materia oscura que impulsa la formación de estrellas”, concluye.

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