Las simulaciones cosmológicas convierten miles de millones de años de crecimiento galáctico en un proceso que podemos observar. A partir de la distribución de materia en el universo temprano, IllustrisTNG calcula la evolución conjunta de la materia oscura, el gas, las estrellas, los agujeros negros y los campos magnéticos. Los estudios y las visualizaciones oficiales de TNG50 muestran cómo el gas se acumula, forma estrellas y construye discos mediante la interacción entre entradas de gas y retroalimentación.
Puntos clave
- IllustrisTNG utiliza el código AREPO para calcular la evolución de las galaxias en un universo virtual, siguiendo conjuntamente la materia oscura, el gas, las estrellas, los agujeros negros supermasivos y los campos magnéticos.
- Un vídeo oficial de TNG50 muestra cómo una galaxia desarrolla un disco ordenado a partir de gas turbulento. Al llegar a la época actual, su masa es similar a la de Andrómeda.
- La retroalimentación de las estrellas y los agujeros negros devuelve energía al gas circundante. Junto con las entradas continuas de gas, regula el crecimiento galáctico.
- El modelo se calibra y se contrasta con estadísticas observacionales. Explica patrones de poblaciones de galaxias, mientras que la física a menor escala sigue requiriendo aproximaciones.
El gas llega desde el entorno. Las estructuras pequeñas se acercan y se fusionan, mientras un disco giratorio toma forma poco a poco en el centro. Los superordenadores convierten miles de millones de años de crecimiento galáctico en una secuencia continua que permite ver cómo una galaxia surge de su entorno cósmico. La investigación y las visualizaciones públicas de IllustrisTNG hacen de esa larga historia un proceso físico que se puede seguir, analizar y comparar con las observaciones.
La materia evoluciona y surgen las galaxias
IllustrisTNG crea un gran volumen de espacio virtual y lo hace evolucionar desde el universo temprano, con un corrimiento al rojo de z = 127, hasta la actualidad, en z = 0. El cálculo sigue la gravedad de la materia oscura, junto con los flujos de gas, su enfriamiento y los campos magnéticos. Añade después la formación estelar, la producción de elementos químicos, el crecimiento de los agujeros negros y la retroalimentación energética. Las formas galácticas van surgiendo de la interacción entre estos procesos.
Las estructuras de materia oscura proporcionan el armazón gravitatorio, mientras el gas se concentra en regiones más densas a lo largo de la red cósmica. Al enfriarse, puede alimentar la formación de estrellas. La rotación, la acreción y las fusiones cambian continuamente el tamaño y la forma de las galaxias. Así, los investigadores pueden estudiar qué historias de crecimiento favorecen la conservación de un disco y qué interacciones transforman una galaxia.
Del gas turbulento a un disco ordenado
Un vídeo oficial de TNG50 sigue una galaxia identificada como g1. Al principio, forma estrellas rápidamente en una reserva de gas turbulento. Una vez que el corrimiento al rojo desciende por debajo de aproximadamente 2, el gas va formando un disco más ordenado. Una evolución posterior relativamente tranquila, sin grandes fusiones, permite alcanzar un equilibrio aproximado entre la retroalimentación estelar y la entrada de gas. En la época actual, la galaxia simulada tiene una masa similar a la de Andrómeda. La escena del Grupo Local muestra Andrómeda y las galaxias vecinas en su contexto espacial; g1 es un ejemplo simulado.
Este ejemplo también concuerda con los estudios de TNG50 sobre poblaciones de galaxias. El modelo predice que las formas de disco se vuelven más frecuentes entre las galaxias que forman estrellas a medida que avanza el tiempo cósmico. La alta resolución de TNG50 permite estudiar a la vez el grosor, la forma y la rotación de muchas galaxias, más allá de una única historia de crecimiento visualmente llamativa.
Las galaxias reciben gas y también lo expulsan
Durante el crecimiento, la materia sigue entrando y la energía se transmite hacia fuera. Las supernovas y los agujeros negros supermasivos que acretan materia inyectan energía en el gas circundante y generan flujos de salida a escala galáctica. Esta retroalimentación puede calentar el gas, alejar parte del material de la galaxia y modificar el combustible disponible para formar estrellas más adelante.
Otro estudio de TNG50 analiza estos flujos de salida y muestra cómo la retroalimentación estelar y la de los agujeros negros modelan conjuntamente el gas que rodea a las galaxias. Al considerar tanto las entradas como las salidas, una galaxia aparece como un sistema que intercambia materia continuamente con su entorno. La construcción de su disco y el ritmo de formación estelar están ligados a ese intercambio.
Poner a prueba las galaxias virtuales con el cielo real
IllustrisTNG se calibra con estadísticas observadas, como la distribución de masas y los tamaños de las galaxias, las relaciones entre los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas, y la historia de la formación estelar cósmica. Después se contrastan las predicciones con otras observaciones. Los cálculos reproducen numerosos rasgos de las poblaciones galácticas y ayudan a identificar las diferencias que aún existen entre el modelo y el universo real.
Las simulaciones tienen una resolución espacial y de masa limitada. Algunos detalles del nacimiento de las estrellas y del entorno inmediato de los agujeros negros deben representarse mediante modelos aproximados apoyados en observaciones y estudios de menor escala. Además de ver aparecer los brazos espirales, la cuestión esencial es si una misma física puede explicar muchas galaxias distintas a la vez. Cuando el universo virtual desarrolla estructuras parecidas a las del cielo, permite comprobar de forma más concreta por qué las galaxias tienen su aspecto actual.
El ciclo de materia que alimenta el crecimiento galáctico
La imagen siguiente reúne el intercambio de materia en un ciclo. El gas azul fluye desde el entorno hacia la galaxia y repone el combustible para formar estrellas. La retroalimentación de las estrellas y los agujeros negros impulsa el gas dorado hacia fuera, por encima y por debajo del disco, siguiendo vías de menor resistencia. Parte de ese gas se frena y regresa a las zonas externas de la galaxia por los arcos violeta pálido, formando una fuente galáctica. Estos movimientos redistribuyen el gas e interactúan con el crecimiento del disco. Los colores, las flechas y las proporciones distinguen procesos; no representan valores precisos de un instante concreto.
