Un equipo internacional de científicos que incluye al CNRS Tierra y Universo acaba de lograr un avance importante en la comprensión de los cúmulos globulares, unas estructuras estelares casi tan antiguas como el Universo. Gracias a simulaciones numéricas, los científicos han reconstruido la evolución completa de estos cúmulos de estrellas, contribuyendo a dilucidar su misterioso origen y sus propiedades en el momento del nacimiento.
Los cúmulos globulares: laboratorios cósmicos únicos
Los cúmulos globulares son agrupaciones esféricas extremadamente densas, que pueden contener hasta varios millones de estrellas unidas por la gravedad. Formados durante las primeras fases del Universo, están presentes en la mayoría de las galaxias, incluida la nuestra.
Imagen ESO/INAF-VST/OmegaCAM
La Vía Láctea alberga hoy alrededor de 160 cúmulos globulares, considerados auténticos fósiles cósmicos que ofrecen una visión única de las condiciones que reinaban hace casi 13 000 millones de años. Su estudio permite a los astrofísicos comprender mejor la formación de las galaxias y la evolución del Universo primitivo.
A pesar de su importancia, la dinámica de los cúmulos globulares ha permanecido durante mucho tiempo mal comprendida debido a su extrema complejidad. Modelizar su evolución a lo largo de 13 000 millones de años requiere, de hecho, tener en cuenta simultáneamente:
- las interacciones gravitatorias entre todas las estrellas;
- los efectos gravitatorios de su entorno externo, como la galaxia anfitriona en la que orbitan;
- así como la evolución estelar, desde el nacimiento hasta la muerte de las estrellas.
Esta complejidad, combinada con las limitaciones de los recursos de cálculo disponibles, hacía hasta ahora casi imposible una modelización realista en escalas de tiempo cósmicas.
Un avance científico y tecnológico
Para afrontar este desafío, el equipo ha desarrollado
ROLLIN', una serie de 25 simulaciones de N-cuerpos que aprovechan la potencia del supercomputador Jean-Zay (GENCI-IDRIS). Movilizando cerca de 350 000 horas de cálculo en GPU, estas simulaciones han permitido modelizar cúmulos que contienen entre 250 000 y 1,5 millones de estrellas durante un período de hasta 13 000 millones de años. Entre las más ambiciosas jamás realizadas, revelan que los cúmulos globulares que observamos hoy son los supervivientes de una población inicial profundamente transformada por los efectos combinados de la dinámica gravitatoria y la evolución estelar.
Gracias a estas simulaciones, los científicos han podido reconstruir la evolución de los cúmulos globulares desde su formación: en su nacimiento, los cúmulos deben estar mucho más concentrados (densos) de lo que se observa hoy, después de 13 000 millones de años. Además, el estudio indica que los cúmulos deben formarse con un alto nivel de momento angular (rotación interna) para explicar la cantidad de momento angular observada hoy. Estos dos datos imponen restricciones sobre las propiedades de las nubes de gas que dieron origen a los cúmulos en el Universo primitivo.
Una puerta abierta a preguntas fundamentales en astronomía
El esfuerzo de cálculo desplegado para realizar estas simulaciones ha sido considerable: la simulación más exigente movilizó alrededor de 400 días de tiempo de cálculo. Este avance abre ahora el camino al estudio de otras cuestiones fundamentales en astronomía, más allá de la mera formación de los cúmulos de estrellas.
Simulación de un cúmulo globular de 1,5 millones de estrellas Los cúmulos globulares son, en particular, lugares privilegiados para la producción de agujeros negros, originados por la muerte de las estrellas masivas. Las intensas interacciones gravitatorias en estos entornos muy densos pueden conducir a la formación de sistemas binarios de agujeros negros, e incluso a fusiones, un mecanismo clave para explicar el origen de los agujeros negros masivos observados en el Universo.
Por otro lado, comprender cómo los cúmulos globulares pierden progresivamente sus estrellas es esencial para estudiar su disolución dentro de las galaxias y para reconstruir la historia de la formación de las propias galaxias. Los trabajos futuros, basados en estas simulaciones, permitirán profundizar en estas cuestiones.
Fuente: CNRS INSU