Simulação recria os primeiros bilhões de anos do Universo

Uma nova simulação computacional oferece visão detalhada de como o Universo evoluiu nos primeiros bilhões de anos após o Big Bang. Batizado de Lumina, o projeto recria a interação entre matéria escura, gases quentes e os primeiros objetos cósmicos, ajudando cientistas a investigar como surgiram as primeiras estrelas e galáxias.

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As visualizações foram divulgadas no domingo (25) e representam a evolução do cosmos entre 50 milhões e dois bilhões de anos após o Big Bang. O trabalho também permite comparar previsões teóricas com observações do telescópio espacial James Webb, que vem permitindo aos astrônomos investigar fases cada vez mais antigas da história do Universo.

Oliver Zier, cientista do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian e responsável pela iniciativa, explicou ao The New York Times que boa parte do conhecimento sobre a formação de galáxias vem de observações do Universo próximo. Com os dados do Webb, porém, os pesquisadores conseguem investigar épocas em que as primeiras estrelas e galáxias começaram a surgir.

Como o Universo evoluiu após o Big Bang

• Nos primeiros momentos após o Big Bang, o Universo era uma mistura extremamente quente de elétrons e núcleos atômicos. À medida que o cosmos se expandiu e esfriou, essas partículas se combinaram, formando uma espécie de neblina composta principalmente por hidrogênio e hélio;
• Naquele período, a radiação ultravioleta e os raios X percorriam distâncias curtas antes de serem absorvidos pelo gás neutro. Essa fase ficou conhecida como idade das trevas cósmica;
• Milhões de anos depois, os átomos de hidrogênio e hélio começaram a perder elétrons novamente, em processo chamado ionização. A transformação tornou o Universo transparente a comprimentos de onda mais curtos, permitindo que a radiação viajasse por distâncias maiores;
• Os astrônomos acreditam que as primeiras estrelas surgiram cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang e tiveram papel fundamental nessa mudança;
• A simulação Lumina procura reconstruir essa transição: de um Universo quase sem estruturas, preenchido por gás frio e neutro, para um ambiente com galáxias primitivas, buracos negros em crescimento e matéria quente e ionizada entre esses objetos.

O que a simulação descobriu

Para construir o modelo, a equipe simulou o comportamento da matéria escura, o crescimento dos buracos negros, a formação de estrelas e as interações entre esses objetos e os gases que os cercavam.

O trabalho foi executado em um supercomputador do Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee (EUA). A simulação levou aproximadamente um ano para ser concluída e abrangeu um volume de espaço com cerca de 1,5 bilhão de anos-luz de extensão em cada direção.

O programa produziu informações sobre diferentes condições do Universo primordial, incluindo a distribuição da matéria escura e as mudanças de temperatura do gás intergaláctico ao longo do tempo.

Um dos resultados indica que a luz das estrelas foi a principal responsável pela ionização do hidrogênio no Universo primitivo. A maior parte dessa transformação teria ocorrido entre 500 milhões e um bilhão de anos após o Big Bang.

No caso do hélio, o processo aconteceu em etapas. A radiação estelar teria energia suficiente para remover um dos dois elétrons do átomo, enquanto a radiação mais energética emitida por buracos negros supermassivos teria sido necessária para retirar o segundo.

Os pesquisadores descreveram o trabalho em artigo publicado na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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A matéria escura como estrutura do Universo

Além dos dados científicos, a Lumina produziu vídeos que representam como o cosmos poderia ter se apresentado naquela época. As imagens mostram, por exemplo, a chamada teia cósmica, estrutura formada por aglomerados e filamentos interligados, compostos principalmente por matéria escura.

“É literalmente como a espinha dorsal do Universo”, afirmou Zier ao descrever essa estrutura.

Outra visualização se aproxima de um enorme halo de matéria escura que envolve um aglomerado de galáxias. A atração gravitacional desse halo puxa o gás intergaláctico para dentro, onde ele sofre um aquecimento intenso e desacelera.

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Quando o gás esfria, passa a fornecer material para a formação de futuras estrelas.

James Webb ajudará a testar as previsões

A equipe já começou a comparar os resultados da Lumina com dados coletados pelo telescópio espacial James Webb. O objetivo é verificar se as previsões da simulação correspondem ao que os astrônomos observam no Universo distante.

Os pesquisadores também esperam usar o modelo como referência para analisar dados do telescópio espacial Nancy Grace Roman, lançado no fim de agosto e projetado, entre outras tarefas, para mapear a matéria escura em detalhes inéditos.

Se as observações coincidirem com as previsões da Lumina, isso reforçará a confiança no modelo e na compreensão atual da física. Diferenças entre os dados e a simulação, por outro lado, poderão indicar que algum processo ainda não foi compreendido ou incorporado adequadamente às teorias existentes.

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Rodrigo Mozelli

Rodrigo Mozelli é jornalista formado pela Universidade Metodista de São Paulo (UMESP) e, atualmente, é redator do Olhar Digital.

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