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por Ron Cowen

Para ver la luz, a veces tienes que viajar a través de la oscuridad. Este aforismo, al parecer, se aplica no sólo a los viajes del corazón sino también a las excursiones a través de la historia del Universo. En la mayor y más detal

Evolución cósmica. La simulación de la materia oscura del Universo comienza sobre 400 000 años tras el nacimiento del Universo y continúa (en el sentido de las agujas del reloj) hasta el presente. Esto representa la aparición de una red cósmica hecha de largos filamentos, aproximadamente de 300 millones de años luz de longitud, que rodea gigantescos vacíos. Los ricos racimos de galaxias surgen donde la densidad de materia oscura es mayor. Springel et al.

Esta nueva situación dibuja el destino de las cantidades originales de materia y energía del Universo desde solo unos pocos cientos de miles de años tras el Big Bang hasta el presente.

Para dar sentido a la ordenación de las galaxias iluminadas por estrellas y los brillantes quásar de todo el cielo, Volker Springel del Instituto de Astrofísica Max Planck en Garching, Alemania, y sus colegas basaron su trabajo en la materia oscura. Este material invisible cuenta con más del 90 por ciento de la gravedad en el Universo.

Aunque nadie sabe de qué está hecha la materia oscura, los investigadores sospechan que es el responsable del empuje de galaxias y racimos de galaxias en las descomunales estructuras filamentosas que vemos en el cielo hoy día. Dado que la materia oscura no parece interactuar con ninguna otra fuerza que no sea la gravedad, es relativamente simple hacer un modelo. El equipo de Springel construyó 10 mil millones de grupos de material en su simulación.

Los modeladores yacen sobre esta lona de materia oscura en forma de burda aproximación a algo del desorden y complejidad de las interacciones entre galaxias, tales como la erupción en las explosiones de una supernova y las trayectorias de los potentes vientos intergalácticos. Con esto, los investigadores podrían explorar cómo evolucionaron las mayores estructuras del Universo — tanto las invisibles como la materia oscura como las visibles, galaxias normales — durante miles de millones de años.

Como se describe en el Nature del 2 de Junio, el modelo confirma los recientes descubrimientos sobre que la expansión del Universo se ha acelerado. También sugiere un escenario para el sorprendentemente rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos — la central de energía que impulsa los quasars — al inicio de la historia del cosmos.

El nuevo trabajo "nos da unas predicciones teóricas más detalladas y precisas sobre las propiedades de las galaxias desde el amanecer del tiempo cósmico hasta el día de hoy", comenta Nickolay Gnedin de la Universidad de Colorado en Boulder.

Actualización

En su modelo, conocido como la simulación milenium, Springel y sus colaboradores trazan la historia cósmica en un cubo de más de 2 mil millones de años luz de lado. Esto es lo bastante grande para retratar la información de unas 20 millones de galaxias junto con los extraños agujeros negros supermasivos.

Las simulaciones de materia oscura previas hechas por el mismo grupo de investigadores describían un volumen menor del Universo y estaban centradas en sus objetos visibles más grandes, gigantes racimos de galaxias (SN: 5/29/99, p. 344). Esta simulación incluye solo una décima parte de los grupos de materia oscura que maneja la nueva versión.

Debido a que el nuevo modelo puede revelar características cósmicas de un treintavo de anchura de las características más pequeñas de la anterior simulación, los astrónomos pueden ahora representar el crecimiento de galaxias individuales y por lo tanto comparar el modelo con las observaciones de telescopio reales.

"Este es un logro tecnológico impresionante", dice el cosmólogo David Weinberg de la Universidad de Ohio State en Columbus. "Han tenido que hacer un montón de cosas ingeniosas para traernos esta gran simulación, incluso con los enormes recursos computacionales que tienen a su disposición. Esto no sólo ha sido posible gracias a que los ordenadores sean más rápidos".

De hecho, los avances en la potencia de computación no fueron la principal motivación para hacer el nuevo modelo, comenta Gus Evrard de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, un miembro del equipo de la simulación milenium. Los investigadores estaban reaccionando a varias colosales investigaciones realizadas en los cielos desde finales de los años 90. El Sloan Digital Sky Survey (Investigador de Cielo Digital Sloan) y el estudio de infrarrojo 2-MASS, entre otros, han trazado la distribución de galaxias y agujeros negros y la estructura del Universo con una amplitud y detalle sin precedentes.

Los recuentos teóricos de la estructura del Universo a gran escala y las simulaciones estaban quedándose atrás, dice Evrard. Los datos de la investigación "en realidad nos conducen a intentar crear una simulación que encajase", comenta.

Los científicos necesitan saber que sus teorías y datos son consistentes entre sí "si vamos a usar estas investigaciones de hecho para aprender sobre el origen y naturaleza de nuestro mundo", añade el miembro del equipo Simon White del Instituto de Astrofísica Max Planck.

El nuevo estudio, que es mucho más detallado que los modelos previos, es un "nivel cualitativo distinto, que permite el análisis de muchas preguntas físicas que no podrían ser tratadas con las simulaciones previas", dice Springel. Entre estas preguntas tenemos: ¿Por qué las galaxias se formaron donde lo hicieron, y qué factores subyacen en la aparición de quasars, los cuales pueden brillar con la luz de trillones de soles?.

Obteniendo Detalles

La simulación requería uno de los superordenadores más rápidos del mundo y constaba de 25 millones de megabytes de datos — suficiente para llenar 36 000 CDs.

El modelo asume que la estructura comienza en el Universo como aleatoria, ondas subatómicas en la densidad de la uniforme sopa de material y radiación. Los radiotelescopios han observado tales ondas en instantáneas del Universo primigenio.

La simulación predice que los trazos de estas ondas han dejado huella en la distribución de las galaxias actuales como vemos en las investigaciones de los grandes telescopios. A principios de este año, dos equipos de astrónomos informaron que habían, en efecto, reconocido las reverberaciones de tales ondas en el Universo actual (SN: 1/15/05, p. 35: http://www.sciencenews.org/articles/20050115/fob1.asp). Las pruebas sugieren que durante unos miles de millones de años, la gravedad amplificó las ondas para producir los racimos de galaxias que vemos hoy.

El modelo milenium predice que las galaxias comienzan pequeñas y crecen por la captura gravitatoria de más material. Esta receta de abajo a arriba, o jerárquica, de construcción de galaxias encaja con varias características de las galaxias medidas directamente, incluyendo su color, brillo y tendencia de agrupamiento.

"No puedo ayudar pero estoy atónito ante el hecho de que la descripción completa de la formación jerárquica de galaxias basada en la materia oscura del Universo trabaje tan bien", dice Springel.

Además de probar la formación de galaxias, la simulación busca comprobar una vista asombrosa del Universo. Desde finales de los años 90, los investigadores han recolectado pruebas de que el 70 por ciento del Universo actual consta de una entidad incluso más misteriosa que la materia oscura. La llamada energía oscura, este campo de fuerza propuesto produce un empujón cósmico que podríamos medir por la aparente aceleración en la expansión del Universo.

La simulación milenium ha confirmado esta visión, junto con la propuesta de que la materia oscura y la materia normal cuentan con aproximadamente un 25 y un 5 por ciento de la masa del Universo respectivamente.

Pero la simulación también permite a los teóricos comprobar descripciones alternativas del Universo. "Puedes traer tus propias reglas del juego y ver cómo de bien reproducen la evolución de las galaxias", apunta Evrard.

Hacer esto con rigor, dice Weinberg, requeriría descripciones matemáticas completas de formación de estrellas e interacciones de galaxias. "Pero puedes hacer grandes progresos pegando fórmulas en la simulación de la materia oscura", añade.

O tal vez, incluso mejor, pegando datos de las observaciones directas. Durantes los últimos 4 años, el Sloan Digital Sky Survey ha encontrado varios antiguos quasars que resplandecen con un brillo superlativo. Para que los quasar sean tan brillantes en los inicios de la historia del Universo, los agujeros negros que les suministran energía tienen que haber sido mil millones de veces más masivos que el sol en un momento en que el cosmos tenía solo 870 millones de años, menos de una décima parte de su edad actual.

"Muchos astrónomos piensan que es imposible reconciliar esto con el crecimiento gradual de la estructura predicho por la descripción estándar de materia oscura", comenta Springel.

Cuando él y sus colegas miraron más de cerca lo que indicaba el modelo sobre el Universo joven, encontraron indicadores de que unos pocos agujeros negros masivos podían en efecto haberse formado lo bastante pronto para tener en cuenta los extraños quasars. La simulación indica que en regiones inusualmente densas del joven cosmos, los agujeros negros crecieron a una tasa acelerada. El modelo también sugiere que los agujeros negros supermasivos resultantes en última instancia se convierten en el núcleo de galaxias masivas que yacen en los centros de los mayores racimos de galaxias del cosmos actual, apunta Evrard.

Extendiendo el modelo

Incluso aunque la simulación milenium confirma y clarifica las teorías y datos existentes, ha producido algunos resultados inesperados. Springel, White, y Liang Gao del Instituto de Astrofísica Max Planck usaron el modelo para examinar la agrupación de halos de materia oscura, el vasto sobre de material invisible cuya gravedad une las galaxias en racimos.

El equipo encontró que entre halos con la misma masa, aquellos que se formaron antes en la historia del Universo se agrupan más apretados que los que se formaron más tarde. Debido a que la distribución de galaxias imita la distribución de los halos, el descubrimiento sugiere que las galaxias se agrupan más o menos apretadas dependiendo de cuando se formasen. El descubrimiento, informado recientemente en la red (http://xxx.lanl.gov/astro-ph/0506510), indica que las galaxias más antiguas se agrupan más apretadas de lo que lo hacen las más jóvenes.

Tal agrupamiento contradice un supuesto clave de un escenario teórico rival de cómo surgió la distribución actual de las galaxias, dice Springel. En este modelo, la densidad de galaxias en el halo de materia oscura depende solo de la masa del halo.

Las aplicaciones de los mayores logros del modelo milenium están aún por llegar, según dicen los investigadores. "El conjunto de datos es tan rico que aún no hemos descubierto todas las sorpresas", comenta Evrard.

Unos de los mayores retos inmediatos, dice White, es compartir la riqueza. El equipo planea hacer el modelo disponible para el público para que todos los astrónomos puedan probar sus teorías de formación de galaxias y quasars. Con 25 millones de megabytes de datos que componen el modelo, no es una tarea fácil.

Pero a finales de año, dice el grupo, los cosmólogos de todos los sitios deberían tener un nuevo — y más potente — modelo por ordenador con el que jugar.

Autor: Ron Cowen
Traductor: Manuel Hermán
Site: sciencenews.org

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