Las simulaciones en supercomputadoras TACC arrojan luz sobre la formación, la explosión de las estrellas en las galaxias más tempranas
Ab initio: «Desde el principio»; es un término que se utiliza en la ciencia para describir los cálculos que se basan en las leyes matemáticas establecidas de la naturaleza, o los «primeros inicios», sin suposiciones adicionales o modelos especiales. Pero cuando se trata de los fenómenos que Milos Milosavljevic está interesado en calcular, estamos hablando realmente ab initio, ya que es desde el mismo principio del tiempo en adelante.
Al principio de su existencia, el cosmos experimentó una rápida inflación, los electrones y protones flotaban libres sin ligarse unos a otros. Luego el universo pasó de una oscuridad completa a la luz, y se formaron enormes estrellas que explotaron, iniciando una cascada de sucesos que lo condujeron hasta el universo de hoy en día.
Milos Milosavljevic, junto con Chalence Safranek-Shrader y Volker Bromm en la Universidad de Texas, ha publicado recientemente los resultados de varias simulaciones numéricas intensivas que mapean las fuerzas del universo en sus primeros cientos de millones de años usando algunas de las supercomputadoras más potentes del mundo. Los resultados de las varias simulaciones numéricas masivas trazan las fuerzas del universo en sus primeros cientos de millones de años. Se hicieron utilizando algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo, incluyendo Stampede, apoyada por la National Science Foundation de EEUU, los sistemas Lonestar y Ranger (ahora retirados) en el Texas Advanced Computing Center.
Los resultados detallan cómo se formaron las primeras galaxias y, en particular, cómo los metales en los viveros estelares influenciaron las características de las estrellas de las primeras galaxias.
«El universo se formó al principio con sólo hidrógeno y helio» comenta Milosavljevic. «Pero entonces las primeras estrellas produjeron metales y después de que esas estrellas explotasen, los metales resultaron dispersados por el ambiente espacial». Eventualmente, los metales expulsados regresaron a los campos gravitatorios de los halos de materia oscura, donde formaron la segunda generación de estrellas. Sin embargo, la primera generación de metales expulsados en explosiones de supernova no se mezclaron de forma uniforme en el espacio.
En lugar de bonitas explosiones esféricas, como habían pensado hasta ahora los investigadores, la expulsión de metales por las supernovas fue un proceso desorganizado, con concentraciones de material siendo disparadas en todas las direcciones.
Los resultados se describen en la revista Monthly Notices de la Royal Astronomical Society en enero de 2014.
Milos Milosavljevic explica que la primera generación de los metales expulsados por las supernovas no se mezcló en el espacio de manera uniforme.
«Es como si usted tuviese café y crema, pero no lo remueve, y no espera un tiempo suficientemente largo», explicó. «Usted bebería un poco de crema y café, pero no café con crema. Habrá hojas delgadas de café y de crema.»
Según Milosavljevic, los efectos sutiles como estos rigen la evolución de las primeras galaxias. Se formaron algunas estrellas que eran ricas en metales, mientras que otras eran pobres en ellos. En general hubo un resultado variado de las abundancias químicas de las estrellas debido a esta mezcla incompleta.
Otro factor que influyó en la evolución de las galaxias fue cómo salieron los elementos más pesados de la explosión de origen. En lugar de la prolija onda de choque esférica que los investigadores presumían antes, es más probable que la expulsión de los metales de una supernova sea un proceso sucio con borbotones de metralla disparándose en todas direcciones.
«Es muy importante modelar estos borbotones correctamente para llegar a la comprensión de a dónde fueron, en última instancia, los metales», dijo Milosavljevic.
Prediciendo futuras observaciones
En términos astronómicos, «comienzo del universo» se traduce como «muy lejos». Esas fugitivas primeras galaxias están increíblemente distantes de nosotros ahora, si no han sido incorporadas ya en las galaxias más recientemente formadas. Pero muchos creen que las primeras galaxias se encuentran a una distancia que vamos a ser capaces de observar con el telescopio espacial James Webb (JWST), que se lanzará en 2018. Esto hace que las simulaciones cosmológicas de Milosavljevic y de su equipo lleguen justo a tiempo.
«¿El Telescopio Espacial James Webb debe integrar la imagen de un lugar durante mucho tiempo, o debería registrar un mosaico para ver un área más grande?», se preguntó Milosavljevic. «Queremos recomendar estrategias para el JWST».
Los telescopios terrestres realizarán estudios de seguimiento de los fenómenos que detecte JWST. Pero, para ello, los científicos necesitan saber cómo interpretar las observaciones del JWST y desarrollar un protocolo para el seguimiento con telescopios terrestres.
Las simulaciones cosmológicas de Milosavljevic y sus asociados ayudarán a determinar dónde debe mirar el telescopio espacial, qué va a buscar, y qué hacer una vez que se observe una señal dada.
Los objetos distantes, nacidas en un momento dado de la historia cósmica, tienen unas reveladoras firmas: espectros o curvas lumínicas. Al igual que los isótopos en la datación por carbono, estas firmas astronómicas ayudan a reconocer y fechar los fenómenos en el espacio profundo. En ausencia de una observación, las simulaciones son la mejor manera de predecir estas firmas de luz.
«Estamos anticipando las observaciones hasta que estén disponibles en el futuro», dijo Milosavljevic.
Si se hace correctamente, estas simulaciones pueden imitar la dinámica del universo durante miles de millones de años, y pueden emerger resultados que se vean como algo como lo que vemos… o esperamos ver con nuevos telescopios de más largo alcance.
«Este es un momento muy emocionante para el campo de la cosmología», dijo el astrónomo y Premio Nobel Saul Perlmutter en su discurso de apertura en la conferencia Supercomputing ’13 en noviembre. «Ahora estamos listos para recoger, simular y analizar el próximo nivel de precisión de los datos… hay más en la ciencia informática de alto rendimiento que lo que hemos logrado.»
La comprensión de nuestro lugar en el universo
Además del objetivo práctico de orientar el telescopio espacial James Webb, el esfuerzo de entender estas primeras estrellas en las primeras galaxias tiene otra función: ayudar a contar la historia de cómo se formó nuestro Sistema Solar.
El estado actual del universo es determinado por la violenta evolución de las generaciones de estrellas que existieron antes. Cada generación de estrellas (o «población» en términos astronómicos) tiene sus propias características, en base el ambiente en las que se crearon.
Se cree que la población III de estrellas, las más antiguas que se formaron, furon masivas y gaseosas, consistiendo inicialmente de hidrógeno y helio. Estas estrellas finalmente se derrumbaron y fueron la semilla de las nuevas, más pequeñas, las estrellas que se agruparon en las primeras galaxias. Éstas a su vez nuevamente estallaron, creando las condiciones para las estrellas de la Población I, como la nuestra, llena de materiales que permiten la vida. Cómo evolucionaron las estrellas y las galaxias a partir de un estadío a otro sigue siendo una cuestión muy debatida.
«Todo esto sucedía cuando el universo era muy joven, sólo unos pocos cientos de millones de años», dijo Milosavljevic. «Y para hacer las cosas más difíciles, las estrellas —como las personas— cambian. Cada cien millones de años, cada 10 millones años… es como un niño que crece, todo el tiempo algo nuevo está sucediendo.»
Simulando el universo desde su nacimiento hasta su edad actual, las investigaciones de Milosavljevic y su equipo ayudan a desentrañar cómo cambian las galaxias con el tiempo, y proporcionan un mejor sentido de lo que vino antes de nosotros y cómo hemos llegado a esto.
Dijo Nigel de Sharp, director de programa en la División de Ciencias Astronómicas de la Fundación Nacional de la Ciencia: «Estos son los nuevos estudios que utilizaron métodos a menudo ignorados por otros esfuerzos, pero de gran importancia, ya que repercuten mucho en lo que sucede en los más recientes estudios en cosmología y sobre las galaxias.»
Fuente: Texas Advanced Computing Center. Aportado por Eduardo J. Carletti
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