Simulação COLIBRE aproxima a formação de galáxias do que o JWST observa

Muito antes de as galáxias se juntarem a partir da matéria primordial que preenchia o Universo em expansão após a Grande Explosão, existiu um tempo em que nada daquilo que hoje reconhecemos como estrutura cósmica tinha, de facto, tomado forma.

Da Grande Explosão ao nascimento das primeiras estrelas

Depois da Grande Explosão, o espaço era, em termos simples, um caos quente: um plasma denso e “ensopado” que precisou de algum tempo - algumas centenas de milhões de anos - para arrefecer e se concentrar o suficiente até permitir o aparecimento das primeiras estrelas e galáxias. Compreender em detalhe como aconteceu essa viragem fundamental, de uma “sopa” primordial para um Universo cheio de estrelas, é essencial para explicar como o cosmos chegou ao estado atual.

Como essa fase inicial da história cósmica não pode ser observada diretamente com a tecnologia disponível, os cientistas recorrem a ferramentas como simulações, tentando recriar a formação e a evolução do Universo.

Esse tipo de trabalho exige enorme capacidade computacional fornecida por supercomputadores. Para tornar os cálculos viáveis, muitas simulações acabam por usar versões simplificadas da física subjacente - idealmente simples o bastante para caber no orçamento computacional, mas fiéis o bastante para manter resultados confiáveis.

A simulação cosmológica COLIBRE e a física do gás frio e da poeira

O projeto de simulação cosmológica COLIBRE foi concebido para preencher algumas dessas lacunas, incorporando modelos físicos mais detalhados do gás, da poeira e dos fluxos intensos impulsionados por estrelas e buracos negros, com o objetivo de estudar a evolução do Universo primordial.

“Grande parte do gás dentro de galáxias reais é frio e poeirento, mas a maioria das simulações grandes anteriores teve de ignorar isso”, diz o astrónomo Joop Schaye, da Universidade de Leiden, nos Países Baixos. “Com a COLIBRE, finalmente colocamos estes componentes essenciais na imagem.”

Na prática, a COLIBRE funciona como um Universo em miniatura dentro de uma caixa virtual. Os investigadores definem os ingredientes iniciais, estabelecem as regras e deixam o sistema evoluir, desde antes do surgimento das primeiras estrelas até aos dias atuais. Se, ao final, o cenário produzido se parecer com o cosmos que observamos, então os parâmetros usados tornam-se uma aproximação razoável dos processos reais que ocorreram.

A maior das simulações consumiu 72 milhões de horas de CPU, mas o esforço computacional compensou. O ponto de partida do programa foi o gás frio, do qual se sabe que as estrelas se formam. Representar esse meio com realismo é complicado, e por isso a equipa incluiu a física e a química adicionais necessárias para que o modelo funcionasse.

Também foi incorporado um modelo de poeira em que os grãos aparecem em três tipos e dois tamanhos. Apesar de minúsculos, esses grãos podem afetar a evolução do Universo de várias formas. Entre outros efeitos, a poeira favorece a união de átomos livres em moléculas e altera a propagação da radiação ao bloquear ou interagir com determinados comprimentos de onda.

No fim, os investigadores conseguiram obter um Universo virtual com aspeto de “gémeo” do nosso.

“É eletrizante ver ‘galáxias’ a sair do nosso computador que parecem indistinguíveis das reais e partilham muitas das propriedades que os astrónomos medem em dados observacionais, como a sua quantidade, luminosidades, cores e tamanhos”, diz o físico Carlos Frenk, da Universidade de Durham, no Reino Unido.

“O mais notável é que conseguimos produzir este Universo sintético apenas resolvendo as equações relevantes da física num Universo em expansão.”

O que a COLIBRE sugere sobre as galáxias observadas pelo JWST

Os resultados indicam que as numerosas galáxias grandes que o JWST observou mais cedo no Universo do que se julgava possível podem, afinal, formar-se sem violar os modelos atuais - desde que as simulações passem a incluir 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 processos físicos-chave são representados de forma mais realista, o modelo fica consistente com o que vemos.”

Mistérios que permanecem: os Pequenos Pontos Vermelhos

Embora a COLIBRE tenha aproximado as simulações do Universo real, algumas questões continuam em aberto. Um dos enigmas mais importantes revelados pelo JWST na Aurora Cósmica é um fenómeno a que os astrónomos deram o nome de Pequenos Pontos Vermelhos.

As hipóteses propostas vão desde estrelas gigantes a buracos negros gigantes, passando por estrelas gigantes com buracos negros no seu interior. Seja o que forem, resistem a explicações simples - e, por enquanto, a COLIBRE também ainda não apresenta uma resposta para eles.

O problema dos Pequenos Pontos Vermelhos pode tornar-se o ponto central de estudos futuros. Por agora, os resultados mostram que estamos mais perto de encontrar respostas sobre um dos períodos mais misteriosos da história do nosso Universo.

O artigo científico foi publicado na Monthly Notices da Sociedade Astronómica Real.