Què li va ocórrer a l'univers des del Big bang fins que va nàixer la llum?

Què li va ocórrer a l'univers entre el seu començament, amb el Big bang, i en el moment en què va començar a emetre llum, uns 380 000 anys després? Contestar esta pregunta no és tasca fàcil ja que, ara com ara, no podem prendre mesures directes d'aquella època remota. Davant semblant limitació, la teoria d'inflació és la millor ferramenta per a descriure els primers instants de l'univers.

Esta teoria proposa que l'univers va passar en una fracció de segon de tindre el grandària d'un protó a ser tan gran com el sistema solar. No és clar quins mecanismes són capaços d'accelerar tant l'expansió de l'univers. Alguns dels proposats haurien deixat una petjada que pot mesurar-se a partir de la distribució de galàxies en el univers observable.

Diverses col·laboracions internacionals, com l'Instrument Espectroscòpic per a l'Estudi de l'Energia Fosca (DESI, per les seues sigles en anglés) i el telescopi espacial Euclid, estan realitzant cartografiats còsmics. Amb ajuda de simulacions numèriques, estos mapes ens permetran explorar quines teories d'inflació són viables.

En l'actualitat estan disponibles els universos computacionals UNIT. Hem creat estes simulacions numèriques per a estudiar el cosmos primitiu a través de la distribució de matèria. Els nostres estudis se centren en èpoques posteriors a la mitat de l'edat de l'univers, estimada en 13 800 milions d'anys.

La teoria d'inflació i el creixement d'estructures còsmiques

Les mesures cosmològiques amb les quals comptem hui mostren que l'univers té una geometria pràcticament plana i que, a molt grans escales, és homogeni i isòtrop. Això vol dir que posseïx les mateixes propietats en totes les direccions. Només és possible aconseguir tal homogeneïtat si zones que hui estan molt allunyades van aconseguir intercanviar informació en el passat.

Per a resoldre este problema, diverses expertes i experts, incloent-hi el físic teòric estatunidenc Alan Guth van proposar la teoria d'inflació. Esta teoria postula que l'univers hauria experimentat una expansió accelerada durant una fracció de segon just després del Big bang.

En els primers instants de l'univers l'energia canviava ràpidament d'un punt a un altre. Estes fluctuacions quàntiques inicials es van estirar a escales cosmològiques amb l'expansió accelerada. Això va donar lloc a l'univers homogeni i amb una geometria quasi plana, que observem hui.

La inflació còsmica pot explicar-se a través de diferents models teòrics. Els models assumixen l'existència d'un o més camps quàntics, com els que representen les partícules elementals.

Els models més simples, amb un camp d'inflació, prediuen que les fluctuacions inicials seguixen una distribució normal o gaussiana. La distribució gaussiana és un model de probabilitat contínua en forma de campana simètrica on la majoria de les dades s'agrupen entorn de la mitjana central.

Els models amb diversos camps d'inflació prediuen la presència de “no gaussianidades” primordials. Això vol dir que la distribució de la matèria no es pot descriure amb l'expressió matemàtica amb la qual expliquem la freqüència típica de molts esdeveniments en la naturalesa, com l'alçada de les persones.

Les estructures a grans escales que veiem hui dia sorgeixen a partir de les fluctuacions quàntiques de l'univers primitiu. Amb el temps, les àrees que en l'univers primitiu eren més denses es van atraure més per l'efecte de la gravetat, guanyant massa. D'esta manera, mesurant la distribució de galàxies a diferents temps còsmics podem entendre l'univers primitiu.

Les característiques particulars dels cartografiats cosmològics poden introduir efectes observacionals en la distribució observada de galàxies. Necessitem, doncs, simulacions numèriques per a distingir entre models teòrics que expliquen la inflació còsmica i els efectes observacionals.

Universos en supercomputadors

Els cartografiats cosmològics actuals, com ara els citats DESI i Euclid, estan realitzant mapes de volums enormes, de l'orde de 125 Gpc al cub. La distància de 125 Gpc equival a 25 000 bilions de vegades la distància entre la Terra i el Sol, que és la Unitat Astronòmica (UA).

Per a poder fer experiments computacionals, necessitem aconseguir volums comparables als observats. Això només és possible gràcies a la potència de supercomputadoras d'alt rendiment, com les màquines de la Xarxa Espanyola de Supercomputación.

Hem generat els universos computacionals UNIT amb condicions inicials gaussianes i no gaussianes. Per a això, hem utilitzant temps de computació en MareNostrum 4 i 5, del Centre Nacional de Supercomputación (Barcelona Supercomputing Center), i Finisterrae, del Centre de Supercomputación de Galícia (CESGA). Este projecte ha requerit l'equivalent en electricitat del gasto anual de 15 llars espanyoles.

Condicions inicials per a estudiar l'univers primitiu

La generació d'universos en computadores, seguint el procés que denominem simulacions de N-cossos, requerix de diversos passos. Primer cal decidir la quantitat de matèria fosca, energia fosca i matèria normal que tindrà el nostre univers.

Després, cal decidir el volum i la massa de l'element computacional més xicotet que podrem utilitzar. Idealment, ens agradaria abastar el major volum possible amb un element computacional xicotet. Això ens permetrà abastar un gran rang d'escales, per exemple des d'una estrela fins a tot l'univers observable.

A més, necessitem calcular la interacció gravitatòria entre tots els elements computacionals. A més elements, més càlculs. Els elements computacionals en els nostres universos UNIT són equivalents a galàxies una mica més xicotetes que la nostra, la Via Làctia. Esta grandària sorgix d'equilibrar la necessitat de volums colossals, amb el temps finit del qual podem disposar en MareNostrum.

Cada element computacional se situa de tal forma que la distribució de matèria seguisca una distribució normal o gaussiana. En els nostres universos UNIT, també hem afegit desplaçaments seguint les distribucions primordials no gaussianes predites per uns certs models inflacionaris. Estes variacions fan que canvie l'evolució dels nostres universos computacionals.

No hi ha molts estudis amb simulacions completes de N-cossos que incloguen condicions inicials amb distribucions primordials no gaussianes. Per això el nostre equip ha proposat com establir les condicions inicials per a no esbiaixar els resultats que continguen eixes simulacions no convencionals.

Universos computacionales UNIT. Izquierda: distribución inicial gaussiana de materia en una región cúbica con un lado de 2 billones de unidades astronómicas (distancia entre la Tierra y el Sol). Centro: Equivalente a la figura de la izquierda, pero para una distribución de materia con no gaussianidades primordiales. Derecha: La distribución de materia cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual, a partir de un universo con no gaussianidades primordiales. Elaboración propia

La simulació computacional més gran amb efectes de l'univers primitiu

Durant 2023 el nostre equip d'investigació, integrat per científiques i científics de la Universitat Autònoma de Madrid i de l'Institut de Física d’Altes Energies de Barcelona, va produir el major univers computacional amb condicions inicials no gaussianes. Este és l'efecte esperat per a una gran família de models d'inflació que expliquen què va ocórrer en l'univers primitiu. Amb esta simulació, hem comprovat que DESI segurament serà capaç d'acceptar o rebutjar la família de models d'inflació que necessita l'existència de múltiples camps quàntics per a l'acceleració de l'expansió en la primera infància del cosmos.

Ara els nostres universos UNIT estan disponibles en el Port d’Informació Científica (PIC), que a més allotja l'espill europeu de DESI. Hem guardat 3,4 terabytes (TB) d'informació en el PIC, l'equivalent a unes 1000 pel·lícules. En el PIC es pot trobar informació sobre els elements de computació a diferents temps còsmics i per a diferents realitzacions.

Alguns dels nostres experiments computacionals han sigut confeccionats i utilitzats per les col·laboracions internacionals DESI i Euclid. Els següents passos del nostre treball consistixen a ampliar el volum dels nostres universos computacionals i incloure galàxies. Això ens permetrà validar les tècniques de mesurament que s'utilitzaran en DESI.

En el futur, també podrem mesurar un paràmetre relacionat amb la formació de galàxies en un univers no gaussià. Este paràmetre només pot mesurar-se en simulacions, i sense ell DESI tindrà problemes per a distingir entre models d'inflació.

Els nostres universos UNIT han sigut dissenyats amb l'objectiu de mesurar este paràmetre i ajudaran a la col·laboració DESI a aconseguir un dels seus principals objectius: estar més prop de conéixer com van ser primers instants de l'univers.

Violeta González Pérez, Professora permanent laboral, Departament de Física Teòrica., Universitat Autònoma de Madrid; Adrián Gutiérrez Adame, University Assistant Postdoctoral in Data Science in Astrophysics, Universität Wien i Santiago Avila, Investigador Ramón y Cajal en Cosmologia, Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation. Llija el original.