Uma nova simulação computacional revela detalhes sobre a evolução do Universo nos primeiros bilhões de anos após o Big Bang. Nomeado Lumina, o projeto é capaz de reproduzir a interação entre matéria escura, gases quentes e os primeiros corpos cósmicos, permitindo que os cientistas investiguem a formação das estrelas e galáxias iniciais.
As visualizações geradas foram apresentadas no último domingo (25) e demonstram a evolução do cosmos entre 50 milhões e dois bilhões de anos após o Big Bang. Este estudo também facilita a comparação entre as previsões teóricas e as observações realizadas pelo telescópio espacial James Webb, que tem possibilitado aos astrônomos explorar épocas cada vez mais remotas da história do Universo.
Oliver Zier, um dos cientistas do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian e coordenador da pesquisa, comentou que grande parte do entendimento sobre a formação de galáxias provém de observações do universo próximo. Contudo, com os dados coletados pelo Webb, os pesquisadores agora podem investigar períodos em que as primeiras estrelas e galáxias começaram a aparecer.
Evolução do Universo após o Big Bang
- Nos momentos iniciais após o Big Bang, o Universo consistia em uma mistura extremamente quente de elétrons e núcleos atômicos. Com a expansão e resfriamento do cosmos, essas partículas se uniram, formando uma neblina composta predominantemente por hidrogênio e hélio;
- Durante essa fase, conhecida como idade das trevas cósmica, radiação ultravioleta e raios X percorriam distâncias limitadas antes de serem absorvidos pelo gás neutro;
- Após milhões de anos, os átomos de hidrogênio e hélio começaram a passar por um processo chamado ionização, durante o qual perderam elétrons. Essa transformação permitiu que o Universo se tornasse transparente para comprimentos de onda mais curtos, fazendo com que a radiação pudesse viajar por distâncias maiores;
- Acredita-se que as primeiras estrelas tenham surgido cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang e desempenharam um papel crucial nessa transição;
- A simulação Lumina visa recriar essa mudança: passando de um Universo quase desprovido de estruturas, preenchido por gás frio e neutro, para um ambiente repleto de galáxias primordiais, buracos negros em crescimento e matéria quente ionizada entre esses objetos.
Descobertas da Simulação
Para desenvolver o modelo, a equipe simulou como se comportava a matéria escura, o crescimento dos buracos negros, além da formação das estrelas e suas interações com os gases circundantes.
O trabalho foi realizado em um supercomputador localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee (EUA). A simulação levou cerca de um ano para ser finalizada e abrangeu uma extensão espacial equivalente a aproximadamente 1,5 bilhão de anos-luz em cada direção.
Os resultados geraram informações sobre distintas condições do universo primordial, incluindo a distribuição da matéria escura e as variações na temperatura do gás intergaláctico ao longo do tempo.
Um dos achados indica que a luz proveniente das estrelas foi fundamental para a ionização do hidrogênio no universo primitivo. A maior parte desse fenômeno teria ocorrido entre 500 milhões e um bilhão de anos após o Big Bang.
Quanto ao hélio, esse processo ocorreu em etapas distintas. A radiação estelar tinha energia suficiente para remover um dos elétrons do átomo; entretanto, uma radiação mais energética emitida por buracos negros supermassivos foi necessária para eliminar o segundo elétron.
Os pesquisadores relataram suas descobertas em um 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 obtidos pela Lumina, foram criados vídeos ilustrativos que mostram como poderia ter sido a aparência do cosmos naquela época. As imagens destacam a teia cósmica — estrutura formada por aglomerados interconectados compostos majoritariamente por matéria escura.
“É literalmente como a espinha dorsal do Universo”, afirmou Zier ao comentar sobre essa estrutura.
Outra visualização apresenta um grande halo de matéria escura envolvendo um aglomerado de galáxias. A gravidade desse halo atrai gás intergaláctico para seu interior, onde ocorre intenso aquecimento seguido por desaceleração.
Quando esse gás esfria, ele passa a fornecer material essencial para formar novas estrelas.
James Webb Validará as Previsões
A equipe já iniciou comparações entre os resultados obtidos pela Lumina e os dados adquiridos pelo telescópio espacial James Webb. O intuito é verificar se as previsões feitas pela simulação condizem com as observações realizadas pelos astrônomos no universo distante.
Os pesquisadores também planejam usar este modelo como referência para analisar informações coletadas pelo telescópio Nancy Grace Roman, lançado no final de agosto. Esse telescópio tem como uma das suas funções mapear detalhes sobre matéria escura.
Se as observações coincidirem com as previsões geradas pela Lumina, isso aumentará a confiança nas teorias atuais da física. Por outro lado, discrepâncias entre os dados observacionais e os resultados da simulação poderão indicar que existem processos ainda não totalmente compreendidos ou integrados nas teorias existentes.
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