Vídeo impressionante mostra a maior e mais detalhada simulação do início universo

Tudo começou há cerca de 13,8 bilhões de anos com um grande “estrondo” cosmológico que trouxe o universo repentina e espetacularmente à existência. Pouco depois, o universo esfriou dramaticamente e ficou completamente escuro.

Então, algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, o universo acordou, enquanto a gravidade reunia matéria nas primeiras estrelas e galáxias. A luz dessas primeiras estrelas transformou o gás circundante em um plasma quente e ionizado – uma transformação crucial conhecida como reionização cósmica que impulsionou o universo para a estrutura complexa que vemos hoje.

Agora, os cientistas podem obter uma visão detalhada de como o universo pode ter se desdobrado durante esse período crucial com uma nova simulação, conhecida como Thesan, desenvolvida por cientistas do MIT , da Universidade de Harvard e do Instituto Max Planck de Astrofísica.

Nomeado em homenagem à deusa etrusca do amanhecer, Thesan foi projetado para simular o “amanhecer cósmico” e especificamente a reionização cósmica, um período que tem sido difícil de reconstruir, pois envolve interações imensamente complicadas e caóticas, incluindo aquelas entre gravidade, gás, e radiação.

A simulação Thesan resolve essas interações com o maior detalhe e no maior volume de qualquer simulação anterior. Ele faz isso combinando um modelo realista de formação de galáxias com um novo algoritmo que rastreia como a luz interage com o gás, juntamente com um modelo de poeira cósmica.

Com Thesan, os pesquisadores podem simular um volume cúbico do universo abrangendo 300 milhões de anos-luz de diâmetro. Eles executam a simulação para frente no tempo para rastrear a primeira aparição e evolução de centenas de milhares de galáxias dentro deste espaço, começando cerca de 400.000 anos após o Big Bang e durante o primeiro bilhão de anos.

Até agora, as simulações se alinham com as poucas observações que os astrônomos têm do universo primitivo. À medida que mais observações são feitas deste período, por exemplo com o recém-lançado Telescópio Espacial James Webb , Thesan pode ajudar a colocar tais observações no contexto cósmico.

Por enquanto, as simulações estão começando a esclarecer certos processos, como até que ponto a luz pode viajar no início do universo e quais galáxias foram responsáveis ​​pela reionização.

“Thesan atua como uma ponte para o universo primitivo”, diz Aaron Smith, bolsista da NASA Einstein no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. “Destina-se a servir como uma contrapartida ideal de simulação para as próximas instalações observacionais, que estão prontas para alterar fundamentalmente nossa compreensão do cosmos.”

Smith e Mark Vogelsberger, professor associado de física do MIT, Rahul Kannan, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, e Enrico Garaldi, do Max Planck, apresentaram a simulação de Thesan por meio de três artigos, o terceiro publicado em 24 de março de 2022, no Monthly Avisos da Royal Astronomical Society .

Siga a luz

Nos primeiros estágios da reionização cósmica, o universo era um espaço escuro e homogêneo. Para os físicos, a evolução cósmica durante essas primeiras “idades das trevas” é relativamente simples de calcular.

“Em princípio, você poderia resolver isso com caneta e papel”, diz Smith. “Mas em algum momento a gravidade começa a puxar e colapsar a matéria, primeiro lentamente, mas depois tão rapidamente que os cálculos se tornam muito complicados e temos que fazer uma simulação completa.”

Para simular totalmente a reionização cósmica, a equipe procurou incluir o maior número possível de ingredientes importantes do universo primitivo. Eles começaram com um modelo bem-sucedido de formação de galáxias que seus grupos desenvolveram anteriormente, chamado Illustris-TNG , que demonstrou simular com precisão as propriedades e populações de galáxias em evolução. Eles então desenvolveram um novo código para incorporar como a luz de galáxias e estrelas interage e reioniza o gás circundante – um processo extremamente complexo que outras simulações não conseguiram reproduzir com precisão em larga escala.

“Thesan segue como a luz dessas primeiras galáxias interage com o gás ao longo dos primeiros bilhões de anos e transforma o universo de neutro em ionizado”, diz Kannan. “Dessa forma, acompanhamos automaticamente o processo de reionização à medida que ele se desenrola.”

Finalmente, a equipe incluiu um modelo preliminar de poeira cósmica – outra característica exclusiva dessas simulações do universo primitivo. Este modelo inicial visa descrever como minúsculos grãos de material influenciam a formação de galáxias no universo inicial e esparso.