El Big Bang ha capturado nuestra imaginación como ninguna otra teoría de la ciencia: el nacimiento magnífico y explosivo de nuestro Universo. ¿Pero sabes lo que vino después?
Alrededor de 100 millones de años de oscuridad.
Cuando el cosmos finalmente iluminó sus primeras estrellas, eran más grandes y brillantes que cualquiera de las siguientes. Brillaban con una luz ultravioleta tan intensa que convirtió los átomos circundantes en iones. El Amanecer Cósmico - desde la primera estrella hastaLa finalización de esta 'reionización cósmica' duró aproximadamente mil millones de años.
"¿De dónde vienen estas estrellas? ¿Y cómo se convirtieron en las galaxias, el Universo repleto de radiación y plasma, que vemos hoy? Estas son nuestras preguntas clave", dice el profesor Michael Norman, Director de San DiegoSupercomputer Center y autor principal de una nueva revisión publicada en Fronteras en astronomía y ciencias espaciales .
El universo en una caja
Investigadores como el profesor Norman resuelven ecuaciones matemáticas en un universo virtual cúbico.
"Hemos pasado más de 20 años usando y refinando este software para comprender mejor el Amanecer Cósmico"
Para comenzar, se creó un código que permitía modelar la formación de las primeras estrellas en el universo. Estas ecuaciones describen el movimiento y las reacciones químicas dentro de las nubes de gas en un universo antes de la luz, y la inmensa atracción gravitacional de un objeto mucho más grande pero invisiblemasa de misteriosa materia oscura.
"Estas nubes de hidrógeno puro y helio colapsaron bajo la gravedad para encender estrellas individuales y masivas, cientos de veces más pesadas que nuestro Sol", explica Norman.
Los primeros elementos pesados se formaron en los núcleos de olla a presión de las primeras estrellas: solo una pizca de litio y berilio. Pero con la muerte de estos gigantes de corta vida - colapsándose y explotando en deslumbrantes supernovas - metales tan pesadoscomo el hierro se creó en abundancia y se roció en el espacio.
Se agregaron ecuaciones al Universo virtual para modelar el enriquecimiento de las nubes de gas con estos metales recién formados, lo que impulsó la formación de un nuevo tipo de estrella.
"La transición fue rápida: en 30 millones de años, prácticamente todas las nuevas estrellas se enriquecieron con metal".
Esto es a pesar del hecho de que el enriquecimiento químico fue local y lento, dejando más del 80% del universo virtual libre de metales al final de la simulación.
"La formación de estrellas gigantes libres de metales no se detuvo por completo: deberían existir pequeñas galaxias de estas estrellas donde haya suficiente materia oscura para enfriar las nubes vírgenes de hidrógeno y helio.
"Pero sin esta gran atracción gravitacional, la intensa radiación de las estrellas existentes calienta las nubes de gas y desgarra sus moléculas. Por lo tanto, en la mayoría de los casos, el gas libre de metales se colapsa por completo para formar un único agujero negro supermasivo".
De las estrellas a las galaxias
"Las nuevas generaciones de estrellas que se formaron en las galaxias son más pequeñas y mucho más numerosas, debido a las reacciones químicas posibles con los metales", observa Norman.
El mayor número de reacciones en las nubes de gas les permitió fragmentarse y formar múltiples estrellas a través del 'enfriamiento de la línea de metal': tractos de densidad de gas disminuida, donde los elementos combinados ganan espacio para irradiar su energía al espacio, en lugar de uno al otro.
En esta etapa tenemos los primeros objetos en el universo que legítimamente pueden llamarse galaxias: una combinación de materia oscura, gas enriquecido en metal y estrellas.
"Las primeras galaxias son más pequeñas de lo esperado porque la radiación intensa de estrellas jóvenes y masivas aleja el gas denso de las regiones formadoras de estrellas".
"A su vez, la radiación de las galaxias más pequeñas contribuyó significativamente a la reionización cósmica"
Por lo tanto, estas galaxias difíciles de detectar pero numerosas pueden explicar la fecha de finalización prevista del Amanecer Cósmico, es decir, cuando se completó la reionización cósmica.
Pensando fuera de la caja
Norman y sus colegas explican cómo algunos grupos están superando las limitaciones informáticas en estas simulaciones numéricas al importar sus resultados ya preparados o al simplificar partes de un modelo menos relevantes para los resultados de interés.
"Estos métodos semianalíticos se han utilizado para determinar con mayor precisión cuánto tiempo se crearon las primeras estrellas masivas libres de metales, cuántas deberían ser observables y la contribución de éstas, así como los agujeros negros y enriquecidos con metalestrellas - a la reionización cósmica "
Los autores también destacan áreas de incertidumbre que impulsarán una nueva generación de simulaciones, utilizando nuevos códigos, en futuras plataformas informáticas de alto rendimiento.
"Esto nos ayudará a comprender el papel de los campos magnéticos, los rayos X y el polvo espacial en el enfriamiento de gases, y la identidad y el comportamiento de la misteriosa materia oscura que impulsa la formación de estrellas".
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