Há muito tempo, existiu um período anterior ao momento em que as galáxias se começaram a aglomerar a partir da matéria primordial que preenchia o Universo em expansão, na sequência do Big Bang.
Durante décadas, a forma como esse processo aconteceu - e a própria composição dessa matéria inicial - tem permanecido envolta em incógnitas. Agora, porém, uma equipa de cientistas poderá ter-nos aproximado de uma explicação para a formação e a evolução das galáxias, recorrendo a simulações mais potentes do caos repleto de pó, estrelas recém-nascidas e química complexa que marcou o início dos tempos.
Os resultados sugerem que as numerosas galáxias grandes observadas pelo JWST em épocas mais precoces do que se julgava possível podem, afinal, formar-se sem contrariar os modelos actuais - desde que as simulações incorporem mais pormenor físico.
“Alguns dos primeiros resultados do JWST foram interpretados como um desafio ao modelo cosmológico padrão”, afirma o astrónomo Evgenii Chaikin, da Leiden University, nos Países Baixos. “Quando os processos físicos-chave são representados de forma mais realista, o modelo fica em concordância com aquilo que observamos.”
Do Big Bang ao nascimento das primeiras galáxias
Após o Big Bang, o espaço era, em termos simples, uma confusão quente: um plasma denso e “soposo” que precisou de algum tempo - algumas centenas de milhões de anos - para arrefecer e se tornar suficientemente compacto para dar origem às primeiras estrelas e galáxias. Perceber ao detalhe esta transição fundadora, de “sopa” para estrelas, é essencial para compreender como o Universo se tornou no que vemos hoje.
Trata-se, no entanto, de uma fase obscura da história cósmica que, por enquanto, não pode ser observada directamente. Por isso, os investigadores dependem de ferramentas como simulações para tentar recriar a formação e a evolução do Universo.
Como é fácil imaginar, isto exige enorme capacidade de cálculo fornecida por supercomputadores. Para tornar os projectos viáveis, muitas simulações recorrem a descrições simplificadas da física subjacente, com a expectativa de que, mesmo assim, os resultados se mantenham fiáveis.
A simulação cosmológica COLIBRE e o que muda nas galáxias
O projecto de simulação cosmológica COLIBRE foi concebido para reduzir algumas dessas lacunas, integrando modelos físicos mais detalhados do gás, do pó e dos poderosos escoamentos impulsionados por estrelas e por buracos negros, com o objectivo de estudar a evolução do Universo primordial.
“Grande parte do gás no interior de galáxias reais é frio e poeirento, mas a maioria das grandes simulações anteriores tinha de ignorar isto”, explica o astrónomo Joop Schaye, também da Leiden University. “Com o COLIBRE, finalmente colocamos estes componentes essenciais no cenário.”
Na prática, o COLIBRE funciona como um Universo em miniatura dentro de uma caixa virtual. Os cientistas introduzem os “ingredientes”, definem as regras e deixam o sistema evoluir, desde antes do nascimento das estrelas até à actualidade. Se, no fim, o que emerge se assemelhar ao cosmos real, então os parâmetros usados podem ser encarados como uma boa aproximação dos processos que realmente ocorreram.
A maior das simulações consumiu 72 milhões de horas de CPU - um esforço computacional enorme, mas compensador. O esquema de cálculo assentou no gás frio, do qual se sabe que as estrelas se formam. Representar esse meio é particularmente complexo, pelo que os investigadores adicionaram a física e a química extra necessárias para que o modelo fosse funcional.
Pó, gás frio e química: os ingredientes que faltavam
A simulação incluiu ainda um modelo de poeiras em que os grãos surgem em três tipos e dois tamanhos. Estes grãos minúsculos podem influenciar a evolução do Universo de várias maneiras. O pó, por exemplo, favorece a união de átomos livres em moléculas e altera a forma como a radiação se propaga, ao bloquear ou interagir com comprimentos de onda específicos.
No final, a equipa conseguiu gerar um Universo virtual que parecia um “gémeo” do nosso.
“É entusiasmante ver ‘galáxias’ saírem do nosso computador com um aspecto indistinguível do real e que partilham muitas das propriedades que os astrónomos medem nos dados, como o seu número, luminosidades, cores e tamanhos”, diz o físico Carlos Frenk, da Durham University, no Reino Unido.
“O mais notável é conseguirmos produzir este Universo sintético apenas resolvendo as equações relevantes da física num Universo em expansão.”
Apesar de o COLIBRE ter aproximado as simulações do Universo real, há questões que continuam por esclarecer. Um dos maiores enigmas que o JWST trouxe à luz no Amanhecer Cósmico é um fenómeno a que os astrónomos chamam Pequenos Pontos Vermelhos.
As explicações propostas têm variado entre estrelas gigantes, buracos negros gigantes e até estrelas gigantes com buracos negros no seu interior. Seja o que for, trata-se de algo difícil de encaixar, e o COLIBRE também ainda não oferece uma resposta.
A questão dos Pequenos Pontos Vermelhos poderá tornar-se o centro de futuras investigações. Por enquanto, os novos resultados mostram que estamos mais perto de encontrar respostas para uma das fases mais misteriosas da história do Universo.
O artigo científico foi publicado na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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