Nova simulação COLIBRE ajuda a compreender a formação das primeiras galáxias do Universo

Houve um tempo, muito remoto, em que ainda não existiam galáxias. Estas só mais tarde se juntariam a partir da matéria primordial que preenchia o Universo em expansão após a Grande Explosão.

A forma como esse processo ocorreu e a composição dessa matéria têm sido, há muito, um mistério. Agora, simulações mais poderosas do caos de poeira, estrelas recém-nascidas e processos químicos complexos do início dos tempos poderão ter aproximado os cientistas da compreensão da formação e evolução das galáxias.

Os resultados mostram que as numerosas galáxias de grandes dimensões observadas pelo JWST numa fase do Universo mais antiga do que se julgava possível podem formar-se sem contrariar os modelos atuais, desde que as simulações incluam mais detalhes.

«Pensava-se que alguns dos primeiros resultados do JWST punham em causa o modelo cosmológico padrão», afirma o astrónomo Evgenii Chaikin, da Universidade de Leiden, nos Países Baixos. «Quando os processos físicos essenciais são representados de forma mais realista, o modelo é consistente com aquilo que observamos.»

Simular a formação das primeiras galáxias

Depois da Grande Explosão, o espaço era uma espécie de sopa caótica de plasma quente. Foram necessárias algumas centenas de milhões de anos para arrefecer e condensar o suficiente para dar origem às primeiras estrelas e galáxias. Perceber exatamente como decorreu essa transformação fundamental, de uma sopa em estrelas, é essencial para compreender como o Universo chegou ao estado atual.

Trata-se, contudo, de um período obscuro da história cósmica que, por enquanto, é impossível observar diretamente. Por isso, os cientistas recorrem a ferramentas como as simulações para tentar reproduzir a formação e a evolução do Universo.

Este trabalho exige grande capacidade de cálculo, fornecida por supercomputadores. Para reduzir essa carga, muitas simulações assentam em modelos simplificados da física subjacente, que ainda assim deverão produzir resultados fiáveis.

O projeto de simulação cosmológica COLIBRE procura colmatar algumas dessas lacunas. Para estudar a evolução do Universo primitivo, inclui modelos físicos mais detalhados do gás, da poeira e dos fluxos intensos impulsionados por estrelas e buracos negros.

«Grande parte do gás no interior das galáxias reais é frio e contém poeira, mas a maioria das grandes simulações anteriores teve de ignorar estes elementos», explica o astrónomo Joop Schaye, da Universidade de Leiden. «Com o COLIBRE, finalmente incluímos estes componentes essenciais no modelo.»

Como funciona a simulação COLIBRE

O COLIBRE é, essencialmente, um Universo em miniatura dentro de uma caixa virtual. Os cientistas introduzem os ingredientes, definem as regras e deixam a simulação avançar, desde antes do nascimento das estrelas até à atualidade. Se o resultado final se assemelhar ao cosmos que nos rodeia, os parâmetros podem ser considerados uma aproximação razoável dos processos que realmente ocorreram.

A maior das simulações exigiu 72 milhões de horas de CPU, mas os resultados compensaram o esforço. O programa baseou-se no gás frio a partir do qual se sabe que as estrelas se formam. A sua modelação é bastante complexa, mas os investigadores incorporaram os elementos adicionais de física e química necessários para a tornar possível.

A simulação incluiu também um modelo de poeira com grãos de três tipos e dois tamanhos. Estas minúsculas partículas podem influenciar a evolução do Universo de várias formas: por exemplo, a poeira favorece a união de átomos livres em moléculas e altera a propagação da radiação ao bloquear comprimentos de onda específicos ou ao interagir com eles.

No final, a equipa conseguiu produzir um Universo virtual semelhante a um gémeo do nosso.

«É entusiasmante ver sair do nosso computador “galáxias” indistinguíveis das reais, que partilham muitas das propriedades medidas pelos astrónomos em dados reais, como o seu número, as luminosidades, as cores e os tamanhos», diz o físico Carlos Frenk, da Universidade de Durham, no Reino Unido.

«O mais notável é conseguirmos produzir este Universo sintético apenas através da resolução das equações físicas relevantes num Universo em expansão.»

Os pequenos pontos vermelhos continuam por explicar

Embora o COLIBRE tenha aproximado as simulações do Universo real, persistem perguntas sem resposta. Um dos maiores mistérios revelados pelo JWST na aurora cósmica é um fenómeno a que os astrónomos chamam pequenos pontos vermelhos.

As explicações propostas vão de estrelas gigantes a buracos negros gigantes, passando por estrelas gigantes com buracos negros no seu interior. Seja qual for a sua natureza, estes objetos não têm uma explicação simples, e o COLIBRE também ainda não conseguiu explicá-los.

A questão dos pequenos pontos vermelhos poderá estar no centro de futuras investigações. Por agora, porém, os resultados indicam que estamos mais perto de encontrar algumas respostas sobre um dos períodos mais misteriosos da história do Universo.

O artigo científico foi publicado na revista Avisos Mensais da Real Sociedade Astronómica.