Simulação recria como estrelas e buracos negros iluminaram o Universo jovem
Feito no supercomputador Frontier, o Lumina acompanha os primeiros 2 bilhões de anos do cosmos. Modelo ainda não explica todas as grandes galáxias vistas pelo James Webb.
Astrofísicos reconstruíram em um supercomputador a transformação que permitiu à luz atravessar o Universo jovem. As imagens do projeto Lumina mostram regiões iluminadas ao redor das primeiras galáxias se expandindo e se unindo, até dispersar a névoa de gás frio que cobria o cosmos.
O grupo internacional divulgou as imagens no domingo, 25 de outubro. A pesquisa foi publicada na segunda-feira, 26 de outubro, na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. O trabalho acompanha os primeiros 2 bilhões de anos da evolução do Universo.
Para produzir a reconstrução, os pesquisadores partiram de condições do Universo pouco depois do Big Bang, obtidas por medições de satélites. Inseriram esses dados no computador e simularam a evolução do cosmos conforme as leis da física. As imagens resultam desse cálculo.
O processamento ocorreu nos Estados Unidos, no Frontier, que está entre os supercomputadores mais potentes do mundo. A região representada mede aproximadamente 1,6 bilhão de anos-luz em cada lado. Essa dimensão permite comparar a evolução de áreas muito afastadas umas das outras.
O computador seguiu centenas de bilhões de pequenas porções de gás e matéria escura em movimento. Embora invisível, a matéria escura exerce gravidade e ajuda a determinar os lugares em que as galáxias se organizam. Na reconstrução, ela fornece a estrutura em torno da qual essas formações surgem.
Como a luz atravessou a névoa
Após o Big Bang, a expansão fez o Universo, inicialmente muito quente, esfriar. O espaço ficou preenchido por gás de hidrogênio e hélio, os elementos mais simples. Essa camada dificultava a passagem de radiação mais energética, como a ultravioleta, limitando a distância que a luz percorria.
É o período conhecido como era das trevas cósmicas. A transformação começou com o aparecimento das primeiras estrelas, cerca de 100 milhões de anos depois do Big Bang. Sua luz tinha energia suficiente para quebrar os átomos do gás ao redor. Com essa mudança, o gás passava a permitir a passagem da luz.
O Lumina mostra que a transparência avançou em ritmos diferentes pelo espaço. áreas com maior concentração de galáxias ficaram iluminadas primeiro. Já os grandes intervalos vazios entre elas conservaram a escuridão durante mais tempo.
No modelo, os últimos trechos dessa névoa desapareceram aproximadamente 1 bilhão de anos após o Big Bang. O resultado coincide com medições anteriores dos astrônomos sobre o fim dessa etapa. As estrelas fizeram a maior parte desse trabalho inicial, enquanto os buracos negros tiveram participação menor.
O hélio exigiu outra fase de transformação, porque seus átomos são mais difíceis de quebrar. Para isso, foi necessária uma luz mais intensa do que a produzida por estrelas comuns. Essa energia veio de quasares: buracos negros gigantes que emitem brilho intenso enquanto absorvem gás.
Uma segunda etapa com buracos negros
Por serem raros e muito potentes, os quasares criaram regiões transparentes maiores e mais dispersas. Essa fase começou depois da etapa conduzida pelas estrelas e estava perto de terminar quando o Universo alcançou 2 bilhões de anos.
O Lumina é a primeira simulação com esse grau de detalhe a acompanhar as 2 etapas. As reconstruções anteriores encerravam o cálculo antes de mostrar todo esse processo. Assim, o projeto permite ver tanto a ação inicial das estrelas quanto a transformação posterior ligada aos buracos negros.
Cada fase elevou a temperatura do gás. O cálculo também indica que raios X emitidos pelas galáxias aqueciam a névoa antes mesmo da chegada da luz das estrelas. Essa informação pode ajudar radiotelescópios que procuram um sinal muito fraco do gás daquele período, ainda não detectado.
A reconstrução concorda com boa parte das observações dos telescópios. A principal diferença aparece nas galáxias gigantes: a quantidade produzida pelo modelo é inferior à encontrada pelo telescópio espacial James Webb. Para os autores, esse descompasso sugere que as galáxias jovens cresceram mais depressa do que as teorias conseguem explicar.
Desde 2022, o Webb observa galáxias do Universo jovem maiores e mais luminosas do que o previsto. O Lumina representa bem as pequenas e médias, mas apresenta dificuldades nas que superam 100 bilhões de vezes a massa do Sol. A distância entre cálculo e observação aumenta nas épocas mais antigas.
As perguntas que continuam abertas
Os pesquisadores consideram diferentes possibilidades para explicar essa diferença. As galáxias podem ter produzido estrelas em ritmo mais rápido ou formado uma quantidade maior de estrelas gigantes. Também pode ser necessário ajustar as regras usadas pelos cientistas para descrever a evolução do Universo.
Outra hipótese é que as medições do James Webb tenham incertezas maiores do que se supõe. O estudo, portanto, ainda não resolve qual dessas explicações responde pela diferença entre as grandes galáxias simuladas e as observadas.
O grupo prepara novos trabalhos para confrontar a reconstrução com os registros dos telescópios. Os dados completos do Lumina deverão ficar disponíveis para outros pesquisadores em 2028.
Os resultados oferecem 2 caminhos para a pesquisa: nos pontos de concordância com as observações, sustentam a capacidade da física conhecida de descrever o Universo jovem; nas diferenças, mostram onde ainda são necessárias revisões e novas explicações.
Com informações do g1.