33.4 Observación, simulación y teoría en cosmología

Desde los albores de la humanidad, la cosmología ha sido el intento de comprender el origen, la evolución y la estructura del Universo. En esta sección se aborda la triple vertiente que ha articulado su avance científico: observación, teoría y simulación numérica. Cada una de estas dimensiones ha impuesto retos metodológicos, pero también ha permitido establecer un diálogo fecundo que ha transformado la cosmología en una ciencia de precisión.

1. Observación en cosmología

1.1 Premisas históricas

La observación astronómica se remonta a civilizaciones antiguas (babilónicos, egipcios, chinos) que registraron movimientos de cuerpos celestes sobre tablillas y papiros. Sin embargo, el uso sistemático de instrumentos amplificadores empezó con el telescopio de Galileo Galilei en 1609, cuyo primer estudio del cielo (lunar, Júpiter, fases de Venus) refutó el modelo geocéntrico. Fue el pistoletazo de salida para la cosmología moderna.

1.2 Grandes descubrimientos observacionales

• 1781 · William Herschel descubre Urano, ampliando el conocimiento del Sistema Solar.
• 1912–1925 · Vesto Slipher y Edwin Hubble miden corrimientos al rojo en nebulosas espirales, demostrando su naturaleza extragaláctica y la expansión del Universo.
• 1964 · Arno Penzias y Robert Wilson detectan la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB) a 2,7 K, confirmando la teoría del Big Bang.
• 1992 · La sonda COBE (Cosmic Background Explorer) cuantifica las anisotropías del CMB con precisión de décimas de grado galardonada con el Premio Nobel 2006.
• 2003 y 2013 · Satélites WMAP y Planck afinan la medida de los parámetros cosmológicos, reduciendo incertidumbres a <1 %.

2. Teoría cosmológica

2.1 Relatividad general y los primeros modelos

En 1915 Albert Einstein publica la teoría de la Relatividad General, describiendo la gravedad como curvatura del espacio-tiempo. Al año siguiente, Willem de Sitter propone soluciones con constante cosmológica. Alexandre Friedmann (1922) obtiene las primeras soluciones dinámicas de expansión y, en 1927, Georges Lemaître introduce la idea del estado primigenio (hoy llamado Big Bang). Estas teorías formularon el marco conceptual para interpretar las pruebas observacionales emergentes.

2.2 El modelo estándar ΛCDM

A finales del siglo XX se consolida el modelo que combina:

• Λ (Lambda): constante cosmológica o energía oscura.
• CDM (Cold Dark Matter): materia oscura fría.
• Radiación relativista: neutrinos y fotones.

Con parámetros clave como la densidad crítica Ωₘ ≃ 0,31, Ω_Λ ≃ 0,69 y la constante de Hubble H₀ ≃ 67,4 km·s⁻¹·Mpc⁻¹ (según Planck 2018), el modelo ΛCDM explica la formación de estructuras, la distribución de galaxias y las fluctuaciones del CMB con alta precisión.

3. Simulación numérica en cosmología

3.1 Origen de las simulaciones N-body

A partir de la década de 1970, con el desarrollo de computadoras de alto rendimiento, los cosmólogos inician simulaciones N-body para modelar la evolución gravitacional de millones de partículas que representan la materia oscura. En 1975 se simuló por primera vez un cúmulo con ~10⁴ partículas. En 1983, Davis, Efstathiou, Frenk y White publican la simulación “DDMF” de 32.000 partículas, evidenciando la formación jerárquica de halos.

3.2 Proyectos emblemáticos

1. Millennium Simulation (2005): con 10¹⁰ partículas en un volumen cúbico de 500 Mpc/h, reproduce la distribución de galaxias y el espectro de potencias de densidad.
2. Illustris (2014): incorpora hidrodinámica, formación estelar y retroalimentación activa. Simula 30.000 galaxias en un volumen de 106,5 Mpc³.
3. EAGLE (2015): enfatiza la calibración de modelos de retroalimentación de supernovas y agujeros negros, logrando reproducciones realistas de masas y radios galácticos.

4. Interacción entre observación, teoría y simulación

La cosmología contemporánea se sustenta en un ciclo virtuoso:

• Observaciones de sondas y telescopios ofrecen datos precisos (CMB, encuestas galácticas tipo SDSS, supernovas tipo Ia).
• Teorías generan predicciones de parámetros esenciales: crecimiento de estructuras, formación de cúmulos, tasa de expansión.
• Simulaciones numéricas testean las teorías bajo condiciones controladas, ajustan submodelos (enfriamiento, retroalimentación) y permiten comparar directamente con datos observacionales.

Por ejemplo, las simulaciones Millennium y Bolshoi predijeron la función de masa de halos de materia oscura, que coincide con mediciones derivadas de lentes gravitacionales débiles. A su vez, los espectros de anisotropías de alta resolución de Planck han servido para refinar la dinámica de fluidos en Illustris y EAGLE, ajustando parámetros de viscosidad y presión de radiación.

4.1 Casos de estudio

• Supernovas Ia (1998): mediante observaciones de decenas de supernovas distantes, se detectó la aceleración cósmica. Teóricamente atribuida a energía oscura (Λ). Simulaciones confirman que Λ≈0,7 permite la formación de cúmulos masivos sin sobrepredecir la estructura a gran escala.
• Mapeo 3D de galaxias (SDSS, 2000–2015): su catálogo de más de 3 millones de galaxias facilitó medir la escala de oscilaciones acústicas de bariones (BAO). Teorías de fluctuaciones primordiales y simulaciones hydrodinámicas validaron la amplitud y posición de picos de BAO, reforzando el modelo ΛCDM.

5. Hitos y desafíos futuros

En el siglo XXI, proyectos como Euclid (https://sci.esa.int/euclid), LSST (https://www.lsst.org) y JWST (https://www.jwst.nasa.gov) prometen mapas de materia oscura por lentes débiles, observaciones de galaxias a z>10 y sondas de la reionización. Estos datos renovarán las teorías de gravitación a gran escala y exigirán simulaciones con billones de partículas y modelos de retroalimentación cuántica.

Además, el misterio de la materia oscura (no detectada en colisionadores) y la naturaleza de la energía oscura (incompatible con un campo escalar convencional sin ajustes finos) abren la puerta a nuevas teorías (gravedad modificada, quintessencia) que deberán contrastarse en el laboratorio virtual de los superordenadores.

6. Conclusiones

La cosmología contemporánea es un paradigma integral donde la observación precisa se combina con la teoría matemática y la simulación numérica para desentrañar la historia del Universo. Desde los prismáticos de Galileo hasta los telescopios espaciales y las granjas de GPU actuales, la ciencia cosmológica ha avanzado gracias al diálogo constante entre medir, modelar y simular. El siglo XXI promete revelar no solo nuevos datos, sino también nuevos desafíos teóricos y tecnológicos que redefinirán nuestra comprensión del cosmos.

Libros recomendados sobre 33.4 Observación, simulación y teoría en cosmología

Observación

• Longair, M. S. – The Observational Foundations of Modern Cosmology. Cambridge University Press, 2008.
• Freedman, W. L. Kaufmann, W. J. – Universe. 9ª ed., W.H. Freeman, 2017.
• Peebles, P. J. E. – The Large-Scale Structure of the Universe. Princeton University Press, 1980.
• Ryden, B. – Introduction to Cosmology. 2ª ed., Cambridge University Press, 2017.

Simulación

• Hockney, R. W. Eastwood, J. W. – Computer Simulation Using Particles. Taylor Francis, 1988.
• Springel, V. – “The cosmological simulation code GADGET-2”. MNRAS 364 (2005): 1105–1134.
• Bodenheimer, P., Laughlin, G. Rozyczka, M. – Numerical Methods in Astrophysics: An Introduction. Taylor Francis, 1991.
• Dolag, K., Borgani, S., Murante, G. Springel, V. – “The role of simulation in modern cosmology”, International Journal of Modern Physics D 25 (2016).

Teoría

• Peacock, J. A. – Cosmological Physics. Cambridge University Press, 1999.
• Dodelson, S. – Modern Cosmology. Academic Press, 2003.
• Weinberg, S. – Cosmology. Oxford University Press, 2008.
• Kolb, E. W. Turner, M. S. – The Early Universe. Addison-Wesley, 1990.
• Mukhanov, V. – Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press, 2005.