Hoje, ao olhar para as imagens do JWST, é fácil esquecer que houve um tempo em que o Universo ainda não tinha galáxias - apenas matéria primordial espalhada, pouco depois do Big Bang.
O caminho desde esse “caldo” inicial até às primeiras estrelas e galáxias sempre foi um dos grandes enigmas da astronomia. Agora, simulações mais potentes e detalhadas do caos de poeira, estrelas recém-nascidas e química complexa na aurora cósmica estão a aproximar os cientistas de perceber como as galáxias se formaram e evoluíram.
E os resultados mostram que as muitas galáxias grandes observadas pelo JWST numa fase mais precoce do Universo do que se julgava possível podem formar-se sem pôr em causa os modelos atuais, desde que as simulações incluam mais detalhes.
"Alguns resultados iniciais do JWST foram considerados um desafio ao modelo cosmológico padrão", diz o astrónomo Evgenii Chaikin, da Universidade de Leiden, nos Países Baixos. "Quando os processos físicos-chave são representados de forma mais realista, o modelo é consistente com o que observamos."
Após o Big Bang, o espaço era uma espécie de confusão quente de plasma denso que precisou de algum tempo - algumas centenas de milhões de anos - para arrefecer e condensar o suficiente para dar origem às primeiras estrelas e galáxias. Compreender exatamente como aconteceu esta transformação fundadora, de “sopa” para estrelas, é essencial para perceber como o Universo chegou ao estado atual.
No entanto, trata-se de um período nebuloso da história cósmica que, neste momento, é impossível observar diretamente. Por isso, os cientistas recorrem a ferramentas como simulações para tentar reproduzir a formação e evolução do Universo.
Como é de imaginar, isto exige uma enorme capacidade de cálculo fornecida por supercomputadores. Para reduzir a carga, muitas simulações assentam em modelos simplificados da física subjacente, que ainda assim deveriam produzir resultados fiáveis.
O projeto de simulação cosmológica COLIBRE pretende colmatar algumas dessas lacunas, incluindo modelos físicos mais detalhados do gás, da poeira e dos potentes fluxos de saída impulsionados por estrelas e buracos negros, para estudar a evolução do Universo primitivo.
"Grande parte do gás dentro de galáxias reais é frio e poeirento, mas a maioria das grandes simulações anteriores tinha de ignorar isto", diz o astrónomo Joop Schaye, da Universidade de Leiden. "Com o COLIBRE, finalmente conseguimos pôr estes componentes essenciais no cenário."
O COLIBRE é, no fundo, um Universo em miniatura dentro de uma “caixa” virtual. Os cientistas colocam os ingredientes, definem as regras e deixam a simulação correr, desde antes do nascimento das estrelas até ao presente. Se, no fim, o resultado se parecer com o cosmos à nossa volta, então os parâmetros usados podem ser vistos como uma aproximação razoável dos processos que realmente ocorreram.
A maior das simulações exigiu 72 milhões de horas de CPU, mas compensou. O programa foi construído com base no gás frio de que se sabe que as estrelas se formam. Isto é bastante complexo de modelar, mas os investigadores incluíram a física e a química adicionais necessárias para que funcionasse.
A simulação também incorporou um modelo de poeira em que os grãos existem em três tipos e dois tamanhos. Estes grãos minúsculos podem influenciar a evolução do Universo de várias formas. A poeira, por exemplo, favorece a junção de átomos livres em moléculas e molda a forma como a radiação se propaga, ao bloquear ou interagir com comprimentos de onda específicos.
No final, os investigadores conseguiram produzir um Universo virtual que parecia um gémeo do nosso.
"É entusiasmante ver 'galáxias' a surgir do nosso computador que parecem indistinguíveis das reais e partilham muitas das propriedades que os astrónomos medem em dados observacionais, como o seu número, luminosidades, cores e tamanhos", diz o físico Carlos Frenk, da Universidade de Durham, no Reino Unido.
"O mais notável é conseguirmos produzir este Universo sintético apenas ao resolver as equações relevantes da física num Universo em expansão."
Embora o COLIBRE tenha aproximado as simulações do Universo real, ainda há perguntas sem resposta. Um dos maiores mistérios que o JWST trouxe à tona na chamada Aurora Cósmica é um fenómeno a que os astrónomos chamam Little Red Dots.
As explicações propostas vão de estrelas gigantes a buracos negros gigantes, ou até estrelas gigantes com buracos negros no seu interior. Seja o que forem, resistem a explicações simples - e o COLIBRE também ainda não consegue explicá-los.
A questão das Little Red Dots poderá tornar-se o centro de investigações futuras. Por agora, os resultados mostram que estamos a aproximar-nos de encontrar respostas sobre um dos períodos mais misteriosos da história do nosso Universo.
O artigo foi publicado na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
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