El orden que emerge del caos: así se forman las galaxias

Un grupo de científicos ha recreado la simulación a gran escala más detallada jamás realizada de la formación de las primeras galaxias tras el Big Bang.

Salida de gas de una galaxia

Salida de gas de una galaxia

Foto: D.Nelson / The illustris TNG team

Salida de gas de una galaxia

TNG50,la simulación cosmológica a gran escala más detallada lograda hasta el día de hoy, es una nueva herramienta que permite a los investigadores estudiar en detalle cómo se forman las galaxias y cómo han evolucionado desde los comienzos de nuestro universo.

TNG50 combina por primera vez una simulación cosmológica a gran escala a un nivel de detalle sin precedentes

La nueva simulación supone una autentica revolución ya que hasta el momento, debido a las limitaciones técnicas, los investigadores habían tenido que elegir entre el volumen de espacio a estudiar y el nivel de detalle con el que ahondar en el mismo. Ante tal situación se presentaban varios inconvenientes: las simulaciones detalladas pero con volúmenes limitados no pueden modelar más que unas pocas galaxias, lo que dificulta en gran parte las deducciones estadísticas. Las simulaciones de gran volumen, por su parte, generalmente carecen de detalles que son imprescindibles para describir el comportamiento de las galaxias individuales. Ahora, la nueva simulación TNG50 combina por primera vez una simulación cosmológica a gran escala a un nivel de detalle que anteriormente solo había sido posible para estudios de galaxias individuales.

La evolución de miles de galaxias

Así, en un espacio simulado de más de 230 millones de años luz de diámetro, TNG50 puede discernir fenómenos físicos que ocurren en escalas un millón de veces más pequeñas, rastreando la evolución simultánea de miles de galaxias a lo largo de 13,8 mil millones de años de historia cósmica.

El cálculo requirió de toda la potencia de los 16.000 núcleos de la supercomputadora Hazel Hen en Stuttgart trabajando a diario y sin descanso durante todo un año, lo que lo convierte en uno de los cálculos astrofísicos más exigentes realizados hasta la fecha.

Fenómenos emergentes en un universo simulado

Los primeros resultados científicos de la simulación TNG50, los cuales se presentan esta semana en dos artículos - Galactic outflows driven by supernovae and black hole feedback y The evolution of stellar and gaseous disks across cosmic time - publicados en la revista especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society han revelado una serie de fenómenos imprevistos. El doctor Dylan Nelson, de Instituto Max Planck para la Astrofísica, y autor principal de los estudios declara que “en nuestra simulación, vemos fenómenos que no se habían programado explícitamente en el código. Estos fenómenos surgen de manera natural, a partir de la compleja interacción de los ingredientes físicos básicos de nuestro universo modelo ".

Un viaje a los comienzos de la Vía Láctea

TNG50 presenta dos ejemplos destacados para este tipo de comportamiento emergente. El primero se refiere a la formación de galaxias de "disco" como nuestra propia Vía Láctea. Usando TNG50 como una máquina del tiempo para rebobinar en la evolución de la estructura cósmica, los investigadores han observado cómo las galaxias de disco -bien ordenadas, de rotación rápida y comunes en nuestro Universo cercano- emergen de nubes de gas caóticas, desorganizadas y altamente turbulentas en los comienzos del Cosmos.

A medida que el gas se estabiliza, las estrellas recién nacidas se organizan en órbitas circulares, formando finalmente grandes galaxias espirales.Annalisa Pillepichdel Instituto Max Planck para la Astronomía explica que :“en la práctica, TNG50 muestra que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea con su disco delgado, responde a este comportamiento. En los últimos 10.000 millones de años, al menos las galaxias que todavía están formando nuevas estrellas adoptan progresivamente una forma más acusada de disco, y sus caóticos movimientos disminuyen paulatina pero considerablemente". "¡El Universo era mucho más desordenado cuando solo tenía unos pocos miles de millones de años!", añade la investigadora.

Interacción entre los flujos de gas y las galaxias

Del mismo modo, a medida que estas galaxias se aplanan, los investigadores encontraron otro fenómeno emergente, relacionado con las expulsiones de gas de alta velocidad y los vientos que fluyen de las galaxias. Estos se originan como resultado de las explosiones de supernovas y la actividad de los agujeros negros supermasivos.

Estos flujos gaseosos galácticos también se presentan inicialmente caóticos y fluyen en todas las direcciones, pero con el tiempo, comienzan a enfocarse hacia el camino que ofrece menor resistencia. Así, en un universo tardío, estos flujos de salida están orientados a modo de flujos cónicos, que emergen de la galaxia en direcciones opuestas, como dos cucuruchos de helado opuestos en cuya intersección se encuentra la galaxia girando en el centro.

Con el tiempo, estos vientos se desaceleran pudiendo incluso detenerse y volver a caer sobre las galaxias, formando una fuente galáctica de gas reciclado. Este proceso redistribuye el gas desde el centro de una galaxia hacia sus alrededores, acelerando aún más la transformación de la galaxia en un disco delgado.

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