MIT criou o maior, mais detalhado (e mais espetacular) modelo do universo primitivo

Com o nome de uma deusa, Thesan, uma incrível simulação dos primeiros mil milhões de anos ajuda a explicar como a radiação moldou o universo inicial.

Tudo começou com o famoso Big Bang, há cerca de 13,8 mil milhões de anos, que deu origem ao universo de forma súbita. Pouco tempo depois, o universo primitivo arrefeceu dramaticamente e ficou completamente escuro.

Depois, algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, o universo despertou novamente, à medida que a gravidade reunia matéria nas primeiras estrelas e galáxias.

A luz destas primeiras estrelas transformou o gás num plasma quente e ionizado, uma transformação crucial conhecida como reionização cósmica, que impulsionou o universo para a estrutura complexa que vemos hoje, explica o MIT News.

Agora, os cientistas podem ter uma visão detalhada de como o universo evoluiu durante este período com uma nova simulação, Thesan, desenvolvida por cientistas no MIT, da Universidade de Harvard, e do Instituto Max Planck de Astrofísica.

Com o nome da deusa etrusca da aurora, a Thesan foi concebida para simular a “aurora cósmica”, e especificamente a reionização cósmica, um período que tem sido um desafio para a reconstrução, uma vez que envolve interações complicadas e caóticas, incluindo as interações entre gravidade, gás e radiação.

A simulação Thesan mostra estas interações com um grande detalhe e é o maior modelo alguma vez feito.

Combina um modelo de formação de galáxias com um novo algoritmo que rastreia como a luz interage com o gás, juntamente com um modelo para poeira cósmica.

Com a Thesan, os investigadores podem simular um volume cúbico do universo que abrange 300 milhões de anos-luz, ao longo de todo o universo.

Os especialistas criaram uma simulação capaz de acompanhar a evolução de centenas de milhares de galáxias, começando cerca de 400.000 anos após o Big Bang, e durante os primeiros mil milhões de anos.

Até agora, as simulações alinham com as poucas observações que os astrónomos têm do universo inicial. Como são feitas mais observações deste período, com o recém-lançado Telescópio Espacial James Webb, por exemplo, Thesan pode ajudar a colocar estas observações no contexto cósmico.

Por agora, as simulações ajudaram os investigadores a compreender melhor certos processos, tais como a distância que a luz pode percorrer no universo primitivo, e que galáxias foram responsáveis pela reionização.

“A Thesan é como uma ponte para o universo primitivo“, nota Aaron Smith, distinguished fellow da NASA destacado no  MIT.

Nas primeiras fases da reionização cósmica, o universo era um espaço escuro e homogéneo. Para os físicos, a evolução cósmica durante estas primeiras “idades das trevas” é relativamente simples de calcular.

“Em princípio, poderia resolver-se isto com caneta e papel”, diz Smith. “Mas a certa altura, a gravidade começa a puxar e a colapsar a matéria. No início, lentamente, mas depois tão rapidamente que os cálculos se tornam demasiado complicados, e temos de fazer uma simulação completa”.

Para simular completamente a reionização cósmica, a equipa procurou incluir o maior número possível de ingredientes principais do universo inicial.

Começaram com um modelo bem sucedido de formação de galáxias, que os investigadores tinham desenvolvido anteriormente, chamado Illustris-TNG, que simulava com precisão as propriedades e populações das galáxias em evolução.

Depois, desenvolveram um novo código para incorporar a forma como a luz das galáxias e estrelas interagem e reionizam o gás circundante — um processo extremamente complexo que outras simulações não foram capazes de reproduzir, com precisão em grande escala.

“A Thesan segue a forma como a luz destas primeiras galáxias interage com o gás durante os primeiros mil milhões de anos e transforma o universo de neutro para ionizado”, explica Rahul Kannan, investigador do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

“Desta forma, seguimos automaticamente o processo de reionização, à medida que este ocorre”, acrescenta o astrofísico.

Finalmente, a equipa incluiu um modelo preliminar de poeira cósmica — outra característica única da Thesan neste tipo de simulações do universo primitivo.

Este modelo inicial visa descrever como pequenos grãos de material influenciam a formação de galáxias no universo inicial.

Uma ponte cósmica

Com os “ingredientes” da simulação no lugar, a equipa estabeleceu as suas condições iniciais durante cerca de 400.000 anos após o Big Bang, com base em medições de precisão da luz do “bang” cósmico.

Estas condições evoluíram a tempo de simular um “rascunho” do universo, utilizando a máquina SuperMUC-NG — um dos maiores supercomputadores do mundo — que simultaneamente aproveitou 60.000 núcleos de computação para realizar os cálculos do Thesan, ao longo de um equivalente a 30 milhões de horas de CPU — um esforço que teria levado 3.500 anos a ser executado num único computador.

As simulações produziram a visão mais detalhada da reionização cósmica, através do maior volume de espaço, de qualquer simulação existente.

Enquanto algumas simulações mostram grandes distâncias, fazem-no a uma resolução relativamente baixa, enquanto outras, mais detalhadas, não abrangem volumes tão grandes.

“Estamos a fazer a ponte entre estas duas abordagens: Temos tanto o grande volume como a alta resolução”, salienta Mark Vogelsberger, professor de Física no MIT.

As primeiras análises das simulações sugerem que, no final da reionização cósmica, a luz da distância foi capaz de viajar mais dramaticamente do que os cientistas tinham suposto anteriormente.

“Descobrimos que a luz não percorria grandes distâncias no início do universo“, sublinha Kannan.

“Na verdade, esta distância é muito pequena, e só se torna maior no final da reionização, aumentando por um fator de 10 em apenas algumas centenas de milhões de anos”, acrescenta o investigador.

Os investigadores também conseguiram compreender melhor o tipo de galáxias responsáveis pela reionização.

A massa de uma galáxia parece influenciar a reionização, embora a equipa diga que mais observações, tiradas por James Webb e outros observatórios, ajudarão a descobrir estas galáxias predominantes.

“Há muitas partes móveis em modelação da reionização cósmica”, refere Vogelsberger. “Quando conseguirmos juntar tudo isto em algum tipo de modelo, o pusermos a funcionar e produzirmos um universo dinâmico, é para todos nós um momento bastante gratificante“, conclui.