Con el objetivo de esclarecer el enigma de cómo nacen y evolucionan las galaxias, una supercomputadora, denominada 'máquina de universos', ha simulado millones de universos diferentes, de acuerdo con diferentes teorías físicas.
Observar galaxias reales en el espacio solo puede proporcionar instantáneas en el tiempo, por lo 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 computadora.
Tradicionalmente, los astrónomos han utilizado este enfoque para inventar y probar nuevas teorías de formación de galaxias, una por una. Peter Behroozi, profesor asistente del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona, y su equipo superaron este obstáculo creando una 'máquina de universos' virtual.
Los hallazgos, publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, desafían 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 origen a 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, autor principal del estudio.
El estudio es el primero en crear universos autoconsistentes que son réplicas exactas del real: simulaciones por computadora que representan una parte considerable del cosmos real, que contiene 12 millones de galaxias y abarca el tiempo de 400 millones de años después del Big Bang hasta el día de hoy.
Cada universo ex-machina se sometió 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, lo que demuestra un nuevo enfoque poderoso para estudiar la formación de galaxias.
Los resultados de la 'máquina de universos', como los autores la denominan, han ayudado a resolver la antigua paradoja de por qué las galaxias dejan de formar nuevas estrellas, incluso cuando retienen abundante gas hidrógeno, la materia prima de la cual se forjan las estrellas.
Las ideas comunes sobre cómo las galaxias forman estrellas implican una interacción compleja entre el colapso del gas frío bajo el efecto de la gravedad en densas bolsas que dan lugar a las 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 enormes energías, actuando como sopletes cósmicos que evitan que el gas se enfríe lo suficiente como para colapsar en viveros estelares. Del mismo modo, las estrellas que terminan sus vidas en explosiones de supernova contribuyen a este proceso. La 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 temprano en el universo, esperaríamos que la materia oscura sea más densa y, por lo tanto, el gas se esté calentando cada vez más. Esto es malo para la formación de estrellas, por lo que pensamos que muchas galaxias en los inicios el universo debería 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 un ritmo más alto, en contra de lo esperado».
Para hacer coincidir las observaciones de galaxias reales, explicó Behroozi, su equipo tuvo que crear universos virtuales en los que sucediera lo contrario: universos en los que las galaxias producían estrellas durante mucho más tiempo.
Si, por otro lado, los investigadores crearon universos basados en las teorías actuales de 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 aparente 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, desplazando la luz hacia el espectro rojo. Los astrónomos llaman a este efecto desplazamiento al rojo. La otra razón es intrínseca: si una galaxia ha dejado de formar estrellas, contendrá menos estrellas azules, que generalmente desaparecen antes y quedan con estrellas más viejas y 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».