Un equipo de astrofísicos acaba de generar 8 millones de universos únicos dentro de una supercomputadora y les ha permitido evolucionar de pequeños a viejos. ¿Su meta? Para definir el papel que una sustancia invisible llamada materia oscura jugó en la vida de nuestro universo desde el Big Bang y lo que significa para nuestro destino.
Después de descubrir que nuestro universo está compuesto principalmente de materia oscura a fines de la década de 1960, los científicos han especulado sobre su papel en la formación de galaxias y su capacidad para dar a luz nuevas estrellas con el tiempo.
Según la teoría del Big Bang, no mucho después de que naciera el universo, una sustancia invisible y esquiva que los físicos han denominado materia oscura comenzó a agruparse por la fuerza de la gravedad en nubes masivas llamadas halos de materia oscura. A medida que los halos crecieron en tamaño, atrajeron el escaso gas de hidrógeno que impregnaba el universo para unirse y formar las estrellas y galaxias que vemos hoy. En esta teoría, la materia oscura actúa como la columna vertebral de las galaxias, dictando cómo se forman, fusionan y evolucionan con el tiempo.
Para comprender mejor cómo la materia oscura dio forma a esta historia del universo, Peter Behroozi, profesor asistente de astronomía en la Universidad de Arizona, y su equipo crearon sus propios universos utilizando la supercomputadora de la escuela. Los 2.000 procesadores de la computadora trabajaron sin pausa durante un lapso de tres semanas para simular más de 8 millones de universos únicos. Cada universo obedeció individualmente un conjunto único de reglas para ayudar a los investigadores a comprender la relación entre la materia oscura y la evolución de las galaxias.
"En la computadora, podemos crear muchos universos diferentes y compararlos con el real, y eso nos permite inferir qué reglas conducen a la que vemos", dijo Behroozi en un comunicado.
Si bien las simulaciones anteriores se han centrado en modelar galaxias individuales o generar universos simulados con parámetros limitados, la UniverseMachine es la primera de su alcance. El programa creó continuamente millones de universos, cada uno con 12 millones de galaxias, y cada uno permitió evolucionar a lo largo de casi toda la historia del universo real desde 400 millones de años después del Big Bang hasta nuestros días.
"La gran pregunta es, '¿Cómo se forman las galaxias?'", Dijo la investigadora del estudio Risa Wechsler, profesora de física y astrofísica en la Universidad de Stanford. "Lo realmente genial de este estudio es que podemos usar todos los datos que tenemos sobre la evolución de las galaxias (el número de galaxias, cuántas estrellas tienen y cómo forman esas estrellas) y ponerlo en una imagen completa de la última 13 mil millones de años del universo ".
Crear una réplica de nuestro universo, o incluso de una galaxia, requeriría una cantidad inexplicable de potencia informática. Entonces Behroozi y sus colegas redujeron su enfoque a dos propiedades clave de las galaxias: su masa combinada de estrellas y la velocidad a la que dan a luz a otras nuevas.
"Simular una sola galaxia requiere de 10 a 48 operaciones de computación", explicó Behroozi, refiriéndose a una operación de un octillón, o un 1 seguido de 48 ceros. "Todas las computadoras en la Tierra combinadas no pudieron hacer esto en cien años. Entonces, para simular una sola galaxia, y mucho menos 12 millones, tuvimos que hacer esto de manera diferente".
A medida que el programa de computadora genera nuevos universos, adivina cómo la tasa de formación estelar de una galaxia está relacionada con su edad, sus interacciones pasadas con otras galaxias y la cantidad de materia oscura en su halo. Luego compara cada universo con observaciones reales, ajustando los parámetros físicos con cada iteración para que coincida mejor con la realidad. El resultado final es un universo casi idéntico al nuestro.
Según Wechsler, sus resultados mostraron que la velocidad a la que las galaxias dan a luz a las estrellas está estrechamente relacionada con la masa de sus halos de materia oscura. Las galaxias con masas de halo de materia oscura más similares a nuestra Vía Láctea tuvieron las tasas de formación estelar más altas. Explicó que la formación de estrellas es sofocada en galaxias más masivas por la abundancia de agujeros negros.
Sus observaciones también desafiaron las creencias arraigadas de que la materia oscura sofocó la formación de estrellas en el universo primitivo.
"A medida que retrocedemos cada vez más temprano en el universo, esperaríamos que la materia oscura sea más densa y, por lo tanto, el gas se esté calentando cada vez más. Esto es malo para la formación de estrellas, por lo que pensamos que muchas galaxias en los inicios el universo debería haber dejado de formar estrellas hace mucho tiempo ", dijo Behroozi. "Pero encontramos lo contrario: las galaxias de un tamaño dado tenían más probabilidades de formar estrellas a un ritmo más alto, en contra de lo esperado".
Ahora, el equipo planea expandir la UniverseMachine para probar más formas en que la materia oscura podría afectar las propiedades de las galaxias, incluida la forma en que evolucionan sus formas, la masa de sus agujeros negros y con qué frecuencia sus estrellas se vuelven supernovas.
"Para mí, lo más emocionante es que ahora tenemos un modelo en el que podemos comenzar a hacer todas estas preguntas en un marco que funcione", dijo Wechsler. "Tenemos un modelo que es lo suficientemente económico desde el punto de vista computacional, que esencialmente podemos calcular un universo entero en aproximadamente un segundo. Entonces podemos permitirnos hacer eso millones de veces y explorar todo el espacio de parámetros".
El grupo de investigación publicó sus resultados en la edición de septiembre de la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
