Simulação recria a evolução do Universo até 2 bilhões de anos após o Big Bang; veja os vídeos

Como o Universo passou de uma imensidão de gás às primeiras estrelas e galáxias? Um conjunto de visualizações produzido pelo Lumina, programa de simulação cosmológica, reconstrói essa transformação entre 50 milhões e 2 bilhões de anos após o Big Bang.

As imagens acompanham a evolução da matéria escura e dos gases hidrogênio e hélio, componentes que participaram da formação das estruturas do Cosmos. O objetivo é oferecer aos astrônomos uma referência para interpretar observações desse período.

À frente do desenvolvimento do programa, Oliver Zier, cientista do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, em Cambridge, nos Estados Unidos, explica que parte do conhecimento sobre a origem das galáxias deriva do estudo de regiões próximas da Terra.

"Grande parte do que sabemos sobre a formação das galáxias vem do Universo próximo", disse.

O Telescópio Espacial James Webb, da Nasa, ampliou o alcance dessas observações e permitiu investigar a época em que surgiram as primeiras estrelas e galáxias. Ao confrontar os registros do observatório com as previsões do Lumina, os pesquisadores podem testar se os modelos físicos explicam o comportamento da matéria ao longo da história cósmica.

A simulação acompanha a passagem de um Universo ocupado por gás frio e neutro para outro com galáxias, buracos negros em crescimento e gás quente e ionizado entre essas estruturas. Foi ao longo desse processo que se estabeleceram as condições para o Cosmos observado hoje.

Como a Luz Transformou o Universo

Após o Big Bang, o Universo era composto por elétrons e núcleos atômicos em temperaturas elevadas. A expansão provocou o resfriamento desse material e permitiu que as partículas se unissem para formar átomos de hidrogênio e hélio.

O gás resultante absorvia radiação ultravioleta e raios X. Por isso, esses comprimentos de onda da luz percorriam distâncias limitadas antes de interagir com a matéria, segundo Zier.

Essa condição começou a mudar quando os átomos voltaram a perder elétrons. O processo, chamado de ionização, tornou o espaço mais transparente à passagem dessas radiações. Os astrônomos atribuem essa transformação principalmente às primeiras estrelas, que teriam surgido cerca de 100 milhões de anos depois do Big Bang.

Os resultados do Lumina apontam que a radiação estelar foi a principal responsável por retirar elétrons do hidrogênio. A maior parte dessa mudança ocorreu entre 500 milhões e 1 bilhão de anos após o início do Universo.

No caso do hélio, a transformação teve duas etapas. A energia emitida pelas estrelas removeu um dos dois elétrons de seus átomos. Para retirar o segundo, foi necessária a radiação de maior energia associada a buracos negros supermassivos.

O que a simulação mostra?

Para reproduzir essa história, Zier e seus colegas construíram modelos do comportamento da matéria escura, da formação estelar e da acreção de buracos negros, processo pelo qual esses objetos acumulam matéria. O trabalho também considerou as interações dessas estruturas com o gás ao redor.

A metodologia foi descrita em um artigo publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

O programa simulou um volume de espaço com aproximadamente 1,5 bilhão de anos-luz em cada direção. A execução levou cerca de um ano em um supercomputador do Laboratório Nacional de Oak Ridge, no estado americano do Tennessee.

Entre os resultados estão mapas da distribuição de matéria escura e da variação da temperatura do gás entre as galáxias. O Lumina também gerou vídeos que representam como seria atravessar o Universo durante esse período.

Uma das sequências apresenta a teia cósmica, rede de filamentos e aglomerados formada principalmente por matéria escura. Essa estrutura orienta a distribuição da matéria no espaço.

"É literalmente como a espinha dorsal do Universo", afirmou Zier.

Outro vídeo mostra um halo de matéria escura ao redor de um aglomerado de galáxias. Sua gravidade atrai o gás das regiões vizinhas, que desacelera e aquece ao cair nessa estrutura.

Segundo o pesquisador, esse aquecimento ocorre por causa dos choques associados à energia liberada durante a queda. Depois, à medida que perde calor, o gás pode fornecer matéria para a formação de estrelas.

Comparação com os Telescópios

A equipe já começou a confrontar as previsões do Lumina com os dados do James Webb. Os pesquisadores também pretendem usar a simulação como referência para observações do Telescópio Espacial Nancy Grace Roman, que tem entre seus objetivos ampliar o mapeamento da matéria escura.

A comparação permitirá avaliar até que ponto os modelos reproduzem as condições observadas no espaço. Uma correspondência entre os resultados reforçaria a compreensão dos processos físicos incluídos no programa. Diferenças poderiam indicar fenômenos que ainda precisam ser incorporados às simulações.

Se os dados confirmarem as previsões, "isso nos mostra que nosso modelo e nossa compreensão da física estão funcionando", disse Zier. Mas, "se não houver concordância, essa será a parte mais interessante. Significa que algo está faltando."