El Big Bang ha capturado nuestra imaginación como ninguna otra teoría científica:lo magnífico, nacimiento 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 los que siguieron. Brillaban con luz ultravioleta tan intensa, convirtió los átomos circundantes en iones. El Amanecer Cósmico:desde la primera estrella hasta la finalización de esta 'reionización cósmica', duró aproximadamente mil millones de años.

"¿De dónde vinieron estas estrellas? ¿Y cómo se convirtieron en las galaxias, el Universo repleto de radiación y plasma, que vemos hoy? Estas son nuestras preguntas impulsoras, "dice el profesor Michael Norman, Director del Centro de Supercomputación de San Diego 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.

"Llevamos más de 20 años usando y perfeccionando este software, para comprender mejor el Amanecer Cósmico ".

Para comenzar, Se creó un código que permitió modelar la formación de las primeras estrellas del 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 una masa mucho más grande pero invisible de misteriosa materia oscura.

"Estas nubes de hidrógeno puro y helio colapsaron bajo la gravedad para encenderse solo, estrellas 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, colapsando y explotando en deslumbrantes supernovas, se crearon en abundancia metales tan pesados ​​como el hierro y se esparcieron por 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 estrellas nuevas estaban enriquecidas con metales ".

Esto a pesar 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 nubes prístinas de hidrógeno y helio.

"Pero sin esta enorme atracción gravitacional, la intensa radiación de las estrellas existentes calienta las nubes de gas y desgarra sus moléculas. Entonces, en la mayoría de los casos, el gas libre de metales colapsa por completo para formar un solo, 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 que se hacen 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':tramos de densidad de gas disminuida, donde los elementos combinados ganan espacio para irradiar su energía al espacio, en lugar de entre sí.

En esta etapa tenemos los primeros objetos en el universo que con razón se pueden llamar galaxias:una combinación de materia oscura, gas enriquecido con metal, y estrellas.

"Las primeras galaxias son más pequeñas de lo esperado debido a la intensa radiación de jóvenes, las estrellas masivas alejan el gas denso de las regiones de formación estelar.

"Sucesivamente, la radiación de las galaxias más pequeñas contribuyó significativamente a la reionización cósmica ".

Estas galaxias, difíciles de detectar pero numerosas, pueden explicar por lo tanto la fecha final prevista del Amanecer Cósmico, es decir, cuando se completó la reionización cósmica.

pensar más allá

Norman y sus colegas explican cómo algunos grupos están superando las limitaciones de computación en estas simulaciones numéricas al importar sus resultados listos para usar, o simplificando partes de un modelo menos relevantes para los resultados de interés.

"Estos métodos semi-analíticos se han utilizado para determinar con mayor precisión durante cuánto tiempo se crearon las primeras estrellas masivas libres de metales, cuántos todavía deberían ser observables, y la contribución de éstos, así como los agujeros negros y las estrellas enriquecidas con metales, a la reionización cósmica ".

Los autores también destacan áreas de incertidumbre que impulsarán una nueva generación de simulaciones, usando nuevos códigos, en futuras plataformas informáticas de alto rendimiento.

"Estos nos ayudarán a comprender el papel de los campos magnéticos, Rayos X y polvo espacial en refrigeración por gas, y la identidad y el comportamiento de la misteriosa materia oscura que impulsa la formación de estrellas ".