Una supercomputadora reconstruyó el amanecer cósmico: Lumina. Se trata de una simulación cosmológica de radiación e hidrodinámica creada por investigadores del MIT, Harvard, el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA) y el Instituto Max Planck, y presentada esta semana en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Lumina sigue la evolución cósmica durante 2.000 millones de años, arrancando unos 45 millones de años después del Big Bang, cuando aún no existían estrellas y el universo estaba dominado por hidrógeno neutro.
Lo que la hace única no es solo el tiempo que abarca, sino el espacio. Modela un cubo de 500 megaparsecs, unos 1.600 millones de años luz de lado, un volumen 100 veces superior al de las mejores simulaciones anteriores del mismo tipo. Es, además, lo suficientemente detallada como para acercarse hasta una galaxia individual en formación.
En las imágenes y videos que el equipo liberó se ve algo hipnótico: finos filamentos de materia oscura entrelazándose con gas a gran velocidad, colapsando por gravedad para esculpir los primeros halos. Dentro de ellos, el gas se enfría, se condensa y enciende las primeras estrellas. "Nos sentimos increíblemente afortunados de poder crear simulaciones como Lumina. Por primera vez, podemos seguir la evolución del hidrógeno y el helio hasta su forma actual a través de un volumen tan enorme del universo, sin dejar de distinguir las galaxias y otros objetos luminosos que impulsan esa transformación", afirma el Dr. Aaron Smith, físico de la Universidad de Texas en Dallas y coautor del trabajo.
La doble aurora que despejó la oscuridad el universo primitivo, tras enfriarse lo suficiente para que electrones y núcleos formaran átomos neutros, entró en las llamadas edades oscuras. La luz no podía viajar libremente. Tuvieron que pasar cientos de millones de años para que algo cambiara.
Lumina permitió seguir con precisión las dos grandes transformaciones de esa época:
- La reionización del hidrógeno: la luz ultravioleta de las primeras galaxias y estrellas arrancó electrones de los átomos de hidrógeno neutro, abriendo el camino para que la radiación se propagara.
- La reionización del helio: un proceso similar, pero que requirió radiación mucho más energética.
La gran revelación de Lumina es que no tuvieron el mismo motor. Las primeras estrellas y galaxias habrían impulsado principalmente la transformación del hidrógeno, mientras que la energía necesaria para la reionización del helio habría procedido de agujeros negros supermasivos tempranos durante fases activas de acreción.
Es la primera simulación que captura conjuntamente ambos procesos, mostrando cómo burbujas de gas ionizado crecieron, se fusionaron y terminaron por iluminar regiones inmensas, como burbujas de jabón uniéndose en el espacio.
Medio billón de piezas en la máquina más potente del mundo para lograrlo, el equipo partió de IllustrisTNG y le sumó un nuevo modelo de transporte de radiación capaz de calcular cómo viaja e interactúa la luz ultravioleta a escalas cósmicas.
El resultado contiene aproximadamente 500.000 millones de elementos computacionales, entre partículas de materia oscura y celdas de gas. Ninguna computadora normal podría con eso. Lumina se ejecutó en Frontier, en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Tennessee, una de las supercomputadoras más rápidas del planeta. En su pico, utilizó más de 100.000 núcleos de CPU y alrededor de 15.000 GPU trabajando en simultáneo.