Observatórios poderosos, como o Telescópio Espacial James Webb da Nasa, oferecem vislumbres de galáxias que se formaram quando o universo ainda era jovem, mas novas simulações em supercomputadores estão ajudando a preencher as lacunas na misteriosa história inicial do cosmos.
Agora, uma equipe internacional de pesquisadores desenvolveu um dos modelos mais detalhados já criados do universo primitivo, de acordo com um estudo recente publicado na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
A nova simulação, chamada Lumina, recria como as primeiras estrelas e buracos negros impulsionaram a reionização, uma fase crucial, porém enigmática, que transformou o universo. Após o Big Bang, a radiação ultravioleta dessas fontes de luz primordiais arrancou elétrons dos átomos de hidrogênio, o elemento mais comum no espaço, permitindo que a luz viajasse mais longe e alterando a forma como as galáxias se formaram.
O universo primordial tornou-se uma nova e fascinante fronteira para os astrônomos que buscam compreender como o cosmos evoluiu para o que é hoje. Como a luz leva tempo para viajar pelo espaço, telescópios poderosos capturam galáxias distantes como elas eram bilhões de anos atrás. Mas estudar um período tão extenso da história cósmica exige simulações em uma escala igualmente vasta. É aí que entram modelos como o Lumina.
Uma das características mais promissoras do Lumina é sua enorme escala, cobrindo mais de 100 vezes o espaço das simulações anteriores, disse o autor principal, Oliver Zier, pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Teoria e Computação do Centro de Astrofísica da Harvard & Smithsonian, em Cambridge, Massachusetts.
“Temos um volume cosmológico onde é possível ver essa teia cósmica, como as galáxias estão agrupadas. Ao mesmo tempo, conseguimos resolver galáxias individuais”, disse Zier, referindo-se à capacidade da simulação de capturar tanto a vastidão do espaço quanto detalhes intrincados.
A simulação também pode ser usada para testar ideias sobre como o universo evoluiu. Os cientistas podem comparar o cenário do universo primitivo modelado no Lumina com observações de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb. Se os resultados coincidirem, os cientistas podem ter mais confiança em suas teorias.
“Mas na verdade é mais interessante se eles não concordarem, porque isso significa que há algo faltando em nosso modelo, e isso pode dar pistas sobre a física que ainda não foi descoberta”, disse Zier.
Essas discrepâncias podem oferecer pistas sobre o universo que os cientistas ainda não compreendem completamente.
A maior simulação do seu tipo
Lumina abrange uma região com aproximadamente 1,5 bilhão de anos-luz de diâmetro em cada direção. Para efeito de comparação, a Via Láctea tem cerca de 100.000 anos-luz de largura, segundo a NASA.
O modelo gigantesco levou quase três anos para ser concluído, utilizando mais de 15.000 unidades de processamento gráfico no Frontier, um supercomputador no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee, para fornecer a capacidade computacional necessária para tal feito.
O Lumina ainda não foi totalmente lançado para o público, mas vídeos da simulação destacam a imensidão do espaço, aproximando-se de galáxias individuais e, em seguida, afastando-se para mostrar o quão minúsculas elas são em comparação com outras no cosmos. A Terra pode parecer gigante, mas é apenas um dos muitos planetas da Via Láctea, que é uma das incontáveis galáxias do universo, disse Zier.
“Apesar de Lumina ser muito grande, ainda é apenas uma pequena parte do universo”, acrescentou.
Pela primeira vez, o Lumina permite que pesquisadores estudem como as mudanças tanto no hidrogênio quanto no hélio, o segundo elemento mais comum no espaço, transformaram o cosmos primitivo em uma única simulação.
“Lumina é uma conquista técnica realmente impressionante”, disse Julian Muñoz, professor assistente de astronomia da Universidade do Texas em Austin, que não participou do novo estudo.
“Simulações de como as primeiras galáxias se formam e ionizam o universo primordial são dispendiosas, por isso normalmente acompanham apenas pequenas regiões do cosmos por um período limitado. Lumina é maior em tamanho e tem uma duração cósmica maior do que as simulações detalhadas anteriores desse tipo”, disse Muñoz em um e-mail.
O universo primitivo não mudou de forma uniforme. Algumas regiões evoluíram mais rapidamente do que outras, e a imensa escala de Lumina permite aos pesquisadores observar como diferentes regiões se transformaram ao longo do tempo, disse Muñoz.
Ele acrescentou que a simulação poderia ajudar os cientistas a estudar como a matéria comum e a matéria escura se movem de maneira diferente pelo espaço.
Os modelos computacionais de como as primeiras galáxias se formaram geralmente se concentram nas interações entre três ingredientes cósmicos essenciais: a matéria comum, a substância que compõe estrelas, planetas e pessoas; a matéria escura, uma substância invisível que representa a maior parte da matéria do universo; e a radiação.
Ao contrário da matéria escura , a matéria comum interage com a luz, o que faz com que os dois tipos de matéria se movam a velocidades diferentes. No início da história do universo, essas diferenças deixaram padrões cósmicos que se estendem por milhões de anos-luz. Embora esses padrões não possam ser observados diretamente por telescópios, as variações podem ser mapeadas em simulações como a Lumina, permitindo que os cientistas investiguem como a dinâmica da matéria pode ter moldado o cosmos primitivo, disse Muñoz.
A simulação pode ajudar os pesquisadores a estudar galáxias raras que modelos menores podem não detectar, disse Ilian Iliev, professor de astrofísica da Universidade de Sussex, no Reino Unido, que não participou do estudo.
Iliev disse que está ansioso para ver como as observações do Lumina e de novos telescópios podem se complementar para construir uma imagem mais completa e precisa do universo.