¿Cómo surgen galaxias como nuestra Vía Láctea? ¿Cómo crecen y cambian con el tiempo? La ciencia detrás de la formación de galaxias ha sido un enigma durante décadas, pero un equipo de científicos dirigido por la Universidad de Arizona está un paso más cerca de encontrar respuestas gracias a las simulaciones de supercomputadoras.

Observar galaxias reales en el espacio solo puede proporcionar instantáneas en el tiempo, de modo que los investigadores que quieran estudiar cómo evolucionan las galaxias a lo largo de miles de millones de años tienen que volver a las simulaciones por ordenador. Tradicionalmente, Los astrónomos han utilizado este enfoque para inventar y probar nuevas teorías sobre la formación de galaxias, uno a uno. Peter Behroozi, profesor asistente en el Observatorio Steward de la UA, y su equipo superó este obstáculo al generar millones de universos diferentes en una supercomputadora, cada uno de los cuales obedecía a diferentes teorías físicas sobre cómo deberían formarse las galaxias.

Los resultados, publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society , desafiar las ideas fundamentales sobre el papel que juega la materia oscura en la formación de galaxias, cómo evolucionan las galaxias con el tiempo y cómo dan a luz las estrellas.

"En la computadora, podemos crear muchos universos diferentes y compararlos con el actual, y eso nos permite inferir qué reglas conducen a la que vemos, "dijo Behroozi, el autor principal del estudio.

El estudio es el primero en crear universos autoconsistentes que son réplicas tan exactas del real:simulaciones por computadora que representan una parte considerable del cosmos real, que contiene 12 millones de galaxias y abarca desde 400 millones de años después del Big Bang hasta la actualidad.

Cada universo "Ex-Machina" fue sometido a una serie de pruebas para evaluar cómo aparecían galaxias similares en el universo generado en comparación con el universo verdadero. Los universos más similares al nuestro tenían reglas físicas subyacentes similares, demostrando un nuevo y poderoso enfoque para estudiar la formación de galaxias.

Los resultados de "UniverseMachine, "como los autores llaman a su enfoque, han ayudado a resolver la antigua paradoja de por qué las galaxias dejan de formar nuevas estrellas incluso cuando retienen mucho gas hidrógeno, la materia prima a partir de la cual se forjan las estrellas.

Las ideas comunes sobre cómo las galaxias forman estrellas implican una interacción compleja entre el gas frío que colapsa bajo el efecto de la gravedad en bolsas densas que dan lugar a estrellas. mientras que otros procesos contrarrestan la formación de estrellas.

Por ejemplo, se cree que la mayoría de las galaxias albergan agujeros negros supermasivos en sus centros. La materia que cae en estos agujeros negros irradia tremendas energías, actuando como sopletes cósmicos que evitan que el gas se enfríe lo suficiente como para colapsar en viveros estelares. Similar, las estrellas que terminan sus vidas en explosiones de supernovas contribuyen a este proceso. Materia oscura, también, juega un papel importante, ya que proporciona la mayor parte de la fuerza gravitacional que actúa sobre la materia visible en una galaxia, extrayendo gas frío de los alrededores de la galaxia y calentándolo en el proceso.

"A medida que retrocedemos cada vez más en el universo, esperaríamos que la materia oscura fuera más densa, y por lo tanto el gas se calienta cada vez más. Esto es malo para la formación de estrellas así que pensamos que muchas galaxias en el universo temprano deberían haber dejado de formar estrellas hace mucho tiempo, ", Dijo Behroozi." Pero encontramos lo contrario:las galaxias de un tamaño dado tenían más probabilidades de formar estrellas a una velocidad mayor, contrariamente a lo esperado ".

Para hacer coincidir las observaciones de galaxias reales, Behroozi explicó, su equipo tuvo que crear universos virtuales en los que ocurría lo contrario:universos en los que las galaxias seguían produciendo estrellas durante mucho más tiempo.

Si, por otra parte, los investigadores crearon universos basados ​​en las teorías actuales de la formación de galaxias (universos en los que las galaxias dejaron de formar estrellas desde el principio) esas galaxias parecían mucho más rojas que las galaxias que vemos en el cielo.

Las galaxias aparecen rojas por dos razones. El primero es evidente en la naturaleza y tiene que ver con la edad de una galaxia, si se formó antes en la historia del universo, se alejará más rápido, cambiando la luz al espectro rojo. Los astrónomos llaman a este efecto corrimiento al rojo. La otra razón es intrínseca:- si una galaxia ha dejado de formar estrellas, contendrá menos estrellas azules, que suelen desaparecer antes, y quedarme con los mayores, estrellas más rojas.

"Pero no vemos eso, ", Dijo Behroozi." Si las galaxias se comportaran como pensábamos y dejaran de formar estrellas antes, nuestro universo real estaría mal coloreado. En otras palabras, nos vemos obligados a concluir que las galaxias formaron estrellas de manera más eficiente en los primeros tiempos de lo que pensábamos. Y lo que esto nos dice es que la energía creada por los agujeros negros supermasivos y las estrellas en explosión es menos eficiente para sofocar la formación de estrellas de lo que predijeron nuestras teorías ".

Según Behroozi, La creación de universos simulados de complejidad sin precedentes requería un enfoque completamente nuevo que no estaba limitado por la capacidad de cómputo y la memoria, y proporcionó suficiente resolución para abarcar las escalas desde los "pequeños" —objetos individuales como las supernovas— hasta una parte considerable del universo observable.

"Simular una sola galaxia requiere entre 10 y 48 operaciones informáticas, ", explicó." Todas las computadoras de la Tierra juntas no podrían hacer esto en cien años. Entonces, para simular una sola galaxia, y mucho menos 12 millones, teníamos que hacer esto de manera diferente ".

Además de utilizar recursos informáticos en el Centro de Investigación Ames de la NASA y el Leibniz-Rechenzentrum en Garching, Alemania, el equipo utilizó la supercomputadora "Ocelote" en el clúster de Computación de Alto Rendimiento de la UA. Dos mil procesadores procesaron los datos simultáneamente durante tres semanas. Durante el transcurso del proyecto de investigación, Behroozi y sus colegas generaron más de 8 millones de universos.

"Tomamos los últimos 20 años de observaciones astronómicas y los comparamos con los millones de universos simulados que generamos, "Explicó Behroozi." Reunimos miles de piezas de información para ver cuáles coincidían. ¿El universo que creamos se veía bien? Que no, volveríamos y haríamos modificaciones, y vuelva a comprobar ".

Para comprender mejor cómo surgieron las galaxias, Behroozi y sus colegas planean expandir UniverseMachine para incluir la morfología de galaxias individuales y cómo evolucionan sus formas con el tiempo.