La Época de Reionización del Universo, en resolución sin precedentes
La Época de Reionización, el proceso que ocurrió tras la formación de las primeras galaxias en el inicio del Universo, ha sido recreado con una resolución sin precedentes con el Proyecto Cosmic Dawn III.
Entre los 400 y los 1.000 primeros millones de años del universo, el medio galáctico interestelar neutral, e incluso el medio pregaláctico, se ionizó con la radiación ultravioleta emitida por las primeras estrellas que brillaban en las primeras galaxias en crecimiento. Una comprensión de la física de este tramo, llamada 'Época de reionización' o EoR, conectaría la física del universo moderno con el Big Bang.
"La época de la reionización representa la última gran transición del universo en la historia de la evolución cósmica", dice el astrofísico teórico Paul Shapiro de la Universidad de Texas en Austin, "desde la fase en la que todo el espacio estaba lleno de un gas de forma homogénea y casi sin rasgos distintivos a la fase en la que surgió la estructura, con la formación de las primeras galaxias y, dentro de ellas, las estrellas".
La observación directa de las fuentes distantes de reionización es un desafío y, hasta ahora, las detecciones se limitan a las galaxias más brillantes. Los físicos utilizan simulaciones por computadora para recrear la rica física de la EoR.
Durante la Reunión de abril de 2022 de la American Physical Society, Shapiro presentó los aspectos más destacados y las predicciones observacionales del Proyecto Cosmic Dawn III (CoDa).
Simular la EoR con CoDa III requirió un gran esfuerzo computacional. Con un billón de elementos computacionales (8.192 al cubo partículas de materia oscura y 8.192 al cubo celdas de gas y radiación en una región de 300 millones de años luz de diámetro en la actualidad), el modelo tenía una resolución lo suficientemente alta como para seguir todos los halos galácticos recién formados que originaron la reionización en ese volumen más allá del alcance de las computadoras ordinarias. La simulación se ejecutó durante 10 días en 131.072 procesadores acoplados a 24.576 unidades de procesamiento gráfico en la supercomputadora paralela masiva Summit, ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge.
El tamaño no es la única característica notable de la simulación CoDa III, dice Shapiro. El seguimiento de la evolución de la formación de galaxias y la reionización requiere tener en cuenta un proceso de retroalimentación mutua: la radiación ionizante que se filtró de las galaxias tuvo que calentar el medio intergaláctico. Ese calor adicional, a su vez, presurizó el gas lo suficiente como para resistir la atracción gravitatoria de las galaxias cercanas. Dado que el gas habría alimentado la formación de estrellas, el resultado neto de este proceso es bloquear nuevas estrellas.
Los modelos anteriores han separado estos efectos, pero Shapiro dice que CoDa III puede simular la dinámica gravitatoria del gas y la materia juntos mientras se tiene en cuenta la radiación ionizante y su efecto sobre el gas. Sin transferencia radiativa, el tiempo en el modelo evolutivo tendría que dividirse en pasos lo suficientemente pequeños para representar las densidades cambiantes del gas, las estrellas y la materia oscura.
La adición de este circuito de retroalimentación significa que los pasos de tiempo deben ser cientos de veces más pequeños para capturar la alta velocidad de las "superficies de ionización": burbujas ionizantes que se expanden rápidamente y salen de las galaxias recién formadas y recorren el universo. Los procesadores y GPU vinculados en la supercomputadora Summit, dice Shapiro, hicieron posible resolver estas ecuaciones casi tan rápido como si el modelo no incluyera radiación.
En particular, dice Shapiro, CoDa III resuelve un problema entre la teoría y los datos observacionales que ha surgido en los estudios EoR; a saber, que las predicciones teóricas de los modelos anteriores no se alinean con las observaciones de los espectros de absorción de los cuásares que sondean el universo al final de la EoR y después. Este problema desaparece en CoDa III, ya que la simulación produce predicciones coherentes que concuerdan con las últimas observaciones.
Shapiro predice que el estudio de la EoR está a punto de experimentar su propia expansión rápida en los próximos años. Observatorios espaciales como el Telescopio espacial James Webb, que se lanzó en diciembre de 2021, y el Telescopio espacial romano Nancy Grace, cuyo lanzamiento está programado para 2027, junto con proyectos terrestres como el Telescopio extremadamente grande, mejorarán la capacidad de los astrónomos para observar los impulsores remotos de la reionización. Las investigaciones de radio actuales y futuras podrían ayudar a los investigadores a restringir mejor la forma grumosa y no homogénea en que se ioniza el medio intergaláctico.
Simulaciones como Cosmic Dawn, dice Shapiro, proporcionan una base teórica para lo que verán estos sofisticados telescopios. "Además de hacer coincidir el espectro existente de observaciones y predecir otras nuevas", dice, "proporciona una visión crítica de la naturaleza de los procesos físicos que tuvieron lugar".
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