Un conjunto de impresionantes visualizaciones publicadas el domingo ofrece una de las simulaciones más detalladas hasta la fecha de lo que ocurría en los albores de nuestro universo.

Las imágenes muestran una mezcla turbulenta de materia oscura e hidrógeno y helio gaseosos y calientes que impregnaban el cosmos primitivo durante su evolución, entre 50 millones y 2 mil millones de años después del Big Bang.

“Gran parte de nuestro conocimiento sobre la formación de galaxias proviene del universo cercano”, dijo Oliver Zier, quien dirigió el proyecto para construir Lumina, la simulación que creó estas imágenes.

Pero el telescopio espacial James Webb de la NASA ha permitido a los astrónomos observar épocas cósmicas más antiguas que nunca, hasta el nacimiento de las primeras estrellas y galaxias. Los astrónomos pueden comparar las predicciones de Lumina con los datos de Webb para comprobar si la física, tal como la entienden, funciona de la misma manera a lo largo del tiempo cósmico, explicó el Dr. Zier, científico del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts.

Según el Dr. Zier, Lumina traza la transición del universo desde una extensión casi sin rasgos distintivos, llena de gas frío y neutro, hasta una que contiene galaxias primigenias, agujeros negros en formación y una neblina de materia caliente e ionizada que llena los espacios intermedios.

Esta mezcla cósmica es lo que finalmente se convirtió en el universo que conocemos hoy.

Tras el Big Bang, el universo era una sopa hirviente de electrones y núcleos atómicos. Al expandirse, se enfrió y esas partículas se fusionaron para formar una niebla de hidrógeno y helio. Durante este tiempo, las longitudes de onda más cortas de la luz, como la radiación ultravioleta y los rayos X, solo podían viajar una corta distancia antes de ser absorbidas por el gas neutro, explicó el Dr. Zier. Este periodo se conoce como la era oscura cósmica.

Millones de años después, los átomos de hidrógeno y helio comenzaron a perder sus electrones nuevamente en un proceso conocido como ionización. Esto provocó que el universo se volviera transparente a las longitudes de onda más cortas de la luz. Los astrónomos creen que las primeras estrellas, que se estima aparecieron unos 100 millones de años después del Big Bang, fueron las responsables de este cambio.

Simular esta era del tiempo cósmico puede ayudar a completar la información faltante. Para crear Lumina, el Dr. Zier y sus colegas modelaron el comportamiento de la materia oscura, la acreción de agujeros negros, la formación de estrellas, la forma en que estos objetos interactúan con el hidrógeno y el helio gaseosos que los rodean, y más. El equipo describió su trabajo en un artículo publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

A continuación, Lumina modeló la evolución del universo dentro de un volumen de espacio simulado, de aproximadamente 1.500 millones de años luz de diámetro en cada dirección. El programa tardó alrededor de un año en ejecutarse en una supercomputadora ubicada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee.

El programa proporcionó un conjunto de información sobre las condiciones del universo primitivo, incluyendo la distribución de la materia oscura y la temperatura del gas intergaláctico a lo largo del tiempo.

Lumina descubrió que la luz estelar fue el principal motor de la ionización del hidrógeno gaseoso en el universo primitivo, y que la mayor parte de este cambio ocurrió entre 500 millones y 1000 millones de años después del Big Bang. Esta luz dotó al gas de la energía suficiente para desprender sus electrones. La ionización del helio se produjo por etapas: la luz estelar bastó para eliminar uno de los dos electrones de un átomo de helio; la radiación de mayor energía proveniente de agujeros negros supermasivos eliminó el otro.

Lumina también produjo intrincadas representaciones en video de cómo podría haber sido el cosmos en aquel entonces, si hubiéramos podido atravesarlo de alguna manera. Una de ellas muestra una vista general de lo que los astrónomos llaman la "red cósmica", un mar de cúmulos y filamentos interconectados, compuestos principalmente de materia oscura.

“Es literalmente como la columna vertebral del universo”, dijo el Dr. Zier.

Otra imagen muestra un enorme halo de materia oscura que envuelve un cúmulo de galaxias. La atracción gravitatoria de la materia oscura atrae el gas intergaláctico, que sufre un impacto de energía extrema al caer en el halo, explicó el Dr. Zier. Esto provoca que el gas se ralentice y se caliente. Al enfriarse, ese gas se convierte en el material para la formación de futuras estrellas.

El equipo responsable de Lumina ya ha comenzado a comparar sus resultados con los datos recopilados por el telescopio Webb. Los astrónomos también esperan utilizar Lumina como referencia para los datos obtenidos por el telescopio espacial Nancy Grace Roman, lanzado a finales de agosto , en parte para cartografiar la materia oscura del universo como nunca antes .

Si las observaciones coinciden con las predicciones de Lumina, «eso nos indica que nuestro modelo y nuestra comprensión de la física funcionan», afirmó el Dr. Zier. Pero «si no coinciden, entonces es lo más interesante», añadió. «Significa que falta algo».