simulación cosmológica

Un censo de población según la forma del cuerpo: así se puede describir lo que hicieron los astrónomos con 6348 galaxias masivas. En lugar de estatura y peso, midieron cuánto se concentra la luz hacia el centro, cuán achatada está la galaxia y cuán asimétrica es su forma. Luego repitieron las mismas mediciones en galaxias de tres modelos computacionales del universo y compararon los resultados.

Una onda gravitacional de la fusión de agujeros negros es como el tañido de una campana en la noche. Por la fuerza del sonido se puede saber lo lejos que está la fuente.

El universo temprano no se parecía a un estanque tranquilo, sino a un caldero burbujeante. La materia fluía, chocaba y se arremolinaba, todo en medio de la rápida expansión del propio espacio. Para entender cómo de esa sopa caliente nacieron las estrellas y las galaxias, los físicos construyen simulaciones digitales.

En una habitación oscura suena música. En el suelo se ha esparcido polvo fino, casi invisible. Las bajas frecuencias hacen que se agrupe en patrones caprichosos: filamentos, cúmulos, vacíos.

El asunto del reloj en el universo es delicado. Normalmente, en los cálculos del nacimiento del mundo, el papel de reloj lo desempeña un campo escalar especial — algo así como un fluido invisible que llena todo el espacio. Hace tictac, y los físicos observan cómo cambia el mundo respecto a ese tictac. Pero ese reloj es artificial, se introdujo por comodidad.

La colisión de galaxias se asemeja a una danza lenta en la que dos compañeros se van acercando gradualmente. En el centro de cada una se esconde un agujero negro supermasivo —un volante invisible con una masa de millones o miles de millones de soles.

El Universo resonó intensamente en sus primeros instantes. En la era de la inflación, cuando el espacio se expandía más rápido que la luz, las energías eran monstruosas — billones de veces mayores que en el Gran Colisionador de Hadrones.

En los primeros instantes de la vida del universo, este se parecía a un caldero burbujeante. La materia no estaba distribuida uniformemente: en ella maduraban grumos y vacíos, y su movimiento turbulento generaba un temblor del propio espacio: las ondas gravitacionales.

2.1 × 10⁻⁹ es aproximadamente la variación de temperatura en el cielo, como si en la superficie del océano se midieran ondas de una fracción de milímetro de altura. Esta minúscula inhomogeneidad está grabada en el fondo cósmico de microondas y nos habla del origen mismo del tiempo.

Los primeros tres minutos después del nacimiento del mundo son una cocina cósmica donde la naturaleza preparaba los núcleos atómicos más ligeros. La receta la dicta la gravedad: controla el ritmo de enfriamiento del caldo caliente de partículas.

La onda cuántica se asemeja a una fotografía de larga exposición: todo está borroso, pero es precisamente esa borrosidad la que muestra el movimiento. Normalmente, estas ondas congeladas se consideran una abstracción conveniente.

En el corazón de casi todas las galaxias duerme un agujero negro supermasivo, el director invisible de la orquesta estelar. Cuando las galaxias chocan, sus monstruos centrales se acercan, girando en una danza gravitacional. A veces se une un tercer compañero al dúo, y entonces comienza un vals triple cuyo desenlace es impredecible.

En los primeros instantes después del Big Bang el universo no era un vacío silencioso, sino una caldera hirviente de plasma, impregnada de ondas sonoras. Cuando la temperatura descendía, el cosmos experimentaba transiciones de fase: reestructuraciones espontáneas que generaban burbujas de una nueva fase.

El universo no siempre se ha estado expandiendo. En algunos modelos, primero se contrae —casi vacío y plano— y luego, al alcanzar el límite, rebota y comienza a crecer, como el mundo que conocemos. Este escenario se denomina cosmología rebotante.

Los cúmulos de galaxias son los mayores conjuntos gravitacionales del Universo. En el resplandor de rayos X, generado por el plasma caliente, está codificada la historia de la expansión del cosmos, la materia oscura oculta y la enigmática energía oscura.

Después del Big Bang, el universo pudo haber quedado atrapado en un falso vacío, un estado temporal como una burbuja de jabón lista para reventar. Una rara burbuja de vacío verdadero podría entonces estallar, estirando el espacio en un abrir y cerrar de ojos.

En los primeros instantes tras el nacimiento, el universo podría haber sido multidimensional, como una hoja de papel que de repente adquiere grosor. Ese "grosor" —las dimensiones extra— comenzó a expandirse rápidamente. A este crecimiento ultrarrápido se le llama inflación.

A través de las ondulaciones del agua, las piedras en el fondo de la piscina parecen desplazadas y distorsionadas. De manera similar, la gravedad de la materia oscura invisible curva la luz de las galaxias lejanas: este fenómeno se conoce como lente gravitacional débil.

Los astrónomos construyen mapas de galaxias y escuchan el susurro radial del hidrógeno neutro. La señal es tan débil que incluso un televisor encendido la ahogaría, pero antenas sensibles la captan desde las profundidades del Universo.

El fin del universo no es simplemente oscuridad. Si la energía oscura lo desgarra en pedazos o si se contrae de nuevo en un punto, como un Big Bang al revés, se produce una singularidad: el momento en que la física convencional falla. Durante mucho tiempo se creyó que en ese incendio cósmico todo desaparecía.

Un globo no se desinfla todo a la vez: primero aparecen abolladuras que corren, se fusionan y, al final, el globo se arruga hasta convertirse en un punto. Algo parecido ocurre con las paredes de dominio: delgadas fronteras que dividían el espacio en los primeros instantes después del Big Bang.

La historia clásica del nacimiento del Universo a partir de un punto ardiente Big Bang se topa con preguntas incómodas: ¿por qué el cosmos es tan homogéneo y qué había antes de la singularidad?

La expansión del Universo se acelera, y quizás la gravedad no funciona como pensamos. Los físicos desarrollan teorías alternativas, pero para comprobarlas, hay que calcular cómo de las ondas después del Big Bang crecieron las galaxias. Estos cálculos son ecuaciones largas con cientos de términos, donde es fácil perderse.

El universo primigenio se asemejaba a un globo que se infla rápidamente: se expandía tan deprisa que la luz no podía alcanzar sus propios bordes. Luego, esa frenética aceleración dio paso a una expansión tranquila. Dejaron de inflar el globo y este comenzó a desinflarse lentamente.

Una goma elástica que se estira en direcciones opuestas no se comporta como una hoja de papel entera. Si tiras de un extremo, la deformación no se propaga uniformemente, sino que parece retenerse en ciertas zonas.

El universo es enorme, y calcular cómo se distribuyen en él las galaxias y la materia oscura no es tarea fácil. Normalmente, los científicos ejecutan simulaciones por computadora que "reproducen" la evolución de regiones enteras del cosmos de miles de millones de años luz. Pero esos cálculos requieren recursos colosales y tiempo.

Si arrojas un puñado de purpurina a un río, algunas partículas flotarán directamente, otras girarán en pequeños remolinos. Con las galaxias del universo ocurre algo parecido: no solo se separan debido a la expansión, sino que también giran en corrientes gigantes, como astillas en remolinos invisibles.

Una estrella hereda la composición química de la nube de gas, como un niño los genes de sus padres. Los astrónomos han convertido esto en un método: según la proporción de carbono y otros elementos, medida con espectroscopía (la descomposición de la luz en colores), construyen árboles genealógicos de las estrellas de la…

Lanza dos piedritas idénticas desde la cima de una montaña: si una cae un centímetro más a la izquierda, en un minuto estarán en valles distintos. Una galaxia es como esa montaña, pero con miles de millones de piedras y una ladera que se extiende a lo largo de millones de años.

En una nube, miles de diminutas gotas de agua flotan en el aire. Para que llueva, necesitan crecer: unirse en gotas más grandes y volverse lo suficientemente pesadas como para caer al suelo.

El Universo es una telaraña gigantesca de materia oscura invisible y galaxias, estirada por la expansión del espacio. Los neutrinos — partículas fantasmales casi imperceptibles — apenas se adhieren a los hilos, pero su masa total cambia sutilmente la tensión de toda la red.

Todo comenzó con diminutos centelleos cuánticos sobre el lienzo primigenio. La inflación — la expansión vertiginosa propuesta por Alan Guth — estiró esas pinceladas hasta el tamaño de las galaxias.

Una computadora normal, cuando busca una ley de la naturaleza a partir de datos, intenta adivinar una fórmula completa de una sola vez. Es como si un cocinero, sin conocer la receta, echara todos los ingredientes a la vez en la olla y esperara que saliera una sopa. La mayoría de las veces sale una papilla incomible: la fórmula es larga pero sin sentido, y con datos nuevos se equivoca.

La materia oscura es invisible, pero su atracción mantiene unidas a las galaxias, impidiendo que se desintegren. Durante mucho tiempo se pensó que las partículas de materia oscura se atraviesan unas a otras sin notarse. Sin embargo, en las galaxias pequeñas, la densidad de materia oscura en el centro resulta ser menor de lo que predicen los cálculos.

La luz nacida en el momento del Big Bang tardó casi 14 mil millones de años en llegar hasta nosotros. Pero en su camino atravesó los campos gravitacionales de galaxias y cúmulos de materia oscura, que curvaron sus rayos. Para un observador, esto se ve como una imagen estirada y borrosa, como a través de un vidrio viejo de ventana.

El universo se parece a una telaraña gigante: las galaxias no están dispersas al azar, sino que se agrupan en nodos y a lo largo de filamentos. Dentro de los filamentos hay mucho gas, y es allí donde con mayor frecuencia brotan estrellas nuevas. Pero, ¿cómo ha cambiado esto con el tiempo?

Un programador escribe código, lo ejecuta, ve el error y lo corrige. Ahora, ese proceso se puede delegar en el propio programa. El aprendizaje profundo en imagenología médica ya sabe mejorar algoritmos, pero normalmente requiere muchos datos y ejemplos preparados.

La cosmología tradicional empieza con el Big Bang, idea de Georges Lemaître. Sin embargo, un nuevo enfoque, inspirado por las búsquedas de Stephen Hawking, elude el enigma del instante primordial.

Miles de universos nacieron en un ordenador para contarnos algún día sobre el nuestro. Cada uno con sus cúmulos de galaxias, dispuestos según las leyes de la gravedad, como guisantes en un frasco que se agita con distinta fuerza. Según cómo queden los guisantes, se puede deducir qué mano agitó el frasco.

Tres ramas de la física —cosmología, física de partículas y física nuclear— han trabajado durante siglos como orillas aisladas.