Un estudio publicado en la revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society reconstruyó cómo el universo pasó de una etapa oscura a otra poblada por luz, estrellas y galaxias. El trabajo presentó Lumina, una simulación elaborada por investigadores del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian que recreó los primeros 2.000 millones de años de la historia cósmica.
La investigación no señaló un segundo preciso en el que todo se hubiera iluminado. Propuso, en cambio, que fue un cambio lento y desigual: las primeras estrellas encendieron pequeñas zonas a su alrededor y, con el paso del tiempo, esas regiones se extendieron hasta transformar casi por completo el espacio entre las galaxias.
El proyecto fue encabezado por Oliver Zier, del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, junto con especialistas de instituciones de Estados Unidos, Canadá y Alemania. Los resultados ayudan a interpretar las imágenes del universo temprano que obtiene el telescopio espacial James Webb.
Tras el Big Bang, el universo era un lugar muy caliente y denso. Al expandirse y enfriarse, se formaron los primeros átomos, sobre todo de hidrógeno y helio. La luz pudo viajar libremente, pero aún no existían estrellas, planetas ni galaxias.
Esa etapa, que los científicos llamaron edades oscuras, no significa que el universo fuera completamente negro. Había una radiación remanente del Big Bang, hoy conocida como fondo cósmico de microondas. Sin embargo, faltaban las fuentes de luz visibles que actualmente forman las galaxias y pueblan el cielo nocturno.
Con el tiempo, la gravedad reunió gas y materia en zonas cada vez más densas. Allí nacieron las primeras estrellas y las primeras galaxias. Su luz ultravioleta comenzó a modificar el gas de hidrógeno que ocupaba el espacio entre ellas. Ese proceso, conocido como reionización, fue el paso decisivo que puso fin a las edades oscuras.
La simulación Lumina muestra que la transformación no ocurrió de forma pareja. Cada galaxia joven actuó como una fuente de luz que creó una burbuja a su alrededor. Dentro de esa zona, la radiación cambió el estado del hidrógeno; fuera de ella, el gas permanecía sin modificar.
A medida que aparecieron más galaxias, las burbujas crecieron y terminaron por unirse. De acuerdo con el estudio, la mayor parte de ese cambio se completó cuando el universo tenía algo más de 1.000 millones de años. Las últimas regiones con hidrógeno sin transformar desaparecieron poco después.
Lumina describe un proceso extendido durante cientos de millones de años, no un "interruptor" que se activó de golpe. Esa diferencia es importante porque permite explicar por qué distintos puntos del universo temprano pudieron evolucionar a ritmos diferentes.
Para realizar el cálculo, los autores recrearon una porción virtual del cosmos de 500 megapársecs de lado, equivalente a unos 1.630 millones de años luz. El volumen permitió seguir muchas galaxias y regiones vacías al mismo tiempo, una escala que ayuda a entender por qué algunas áreas recibieron luz antes que otras.
Las estrellas jóvenes fueron las principales responsables de cambiar el hidrógeno. Pero la simulación también sigue una segunda transformación, vinculada al helio, otro de los elementos más abundantes del universo.
En este caso, la energía de las estrellas no alcanzaba. La tarea quedó principalmente en manos de los cuásares, objetos extremadamente brillantes que se forman cuando agujeros negros gigantes atraen materia. Esa actividad libera grandes cantidades de energía y puede afectar el gas a enormes distancias.
El estudio indica que esta segunda etapa se desarrolló más tarde. Además de modificar el helio, calentó nuevamente el gas que existe entre las galaxias. El modelo calcula temperaturas de entre 10.000 y 20.000 °C en parte de ese gas, aunque las cifras variaron según la zona y el momento en que recibió la radiación.
Los investigadores utilizaron Frontier, un superordenador instalado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en Tennessee, Estados Unidos. La máquina permitió procesar una cantidad de información imposible de abarcar con cálculos convencionales y seguir, a la vez, la evolución de la materia, el gas y la luz.
La llegada del James Webb cambió el estudio del universo temprano.
El observatorio detectó galaxias que existían cuando el cosmos tenía solo una pequeña fracción de su edad actual. Algunas resultaron más brillantes o más grandes de lo que anticipaban varios modelos anteriores.
Lumina fue diseñada para comparar esas observaciones con una reconstrucción física de lo que pudo haber ocurrido. El modelo permite analizar cómo se formaron las primeras galaxias, cuánto gas tenían disponible y de qué manera su luz afectó el entorno.
Los autores señalaron que las simulaciones conocidas podrían estar calculando por debajo la cantidad de galaxias grandes que existían en las primeras etapas del universo. Entre las explicaciones posibles figuran una producción de estrellas más rápida de lo esperado o cambios en algunos supuestos sobre la evolución cósmica.
Zier afirmó que observar las predicciones del modelo representadas en video fue el resultado de años de trabajo. Junto con Aaron Smith, Volker Springel, Lars Hernquist y otros investigadores, desarrolló un proyecto que permitirá estudiar con mayor detalle el gas cósmico, las primeras galaxias y el crecimiento de los agujeros negros.
El equipo prevé que los datos completos de Lumina se publiquen de forma abierta en 2028.
