Resumo:
Astrônomos usaram um dos supercomputadores mais poderosos do mundo para construir uma das maiores e mais sofisticadas simulações do universo primitivo já feitas. Este projeto de pesquisa, denominado "Lumina", recria a evolução dos primeiros 2 bilhões de anos após o nascimento do universo. A área simulada tem cerca de 1,5 bilhão de anos-luz de cada lado. O objetivo é ajudar os cientistas a compreender como as primeiras estrelas e galáxias se formaram e como a matéria escura e a radiação moldam conjuntamente o universo atual.
O Lumina foi desenvolvido por pesquisadores do Center for Astrophysics, uma operação conjunta da Universidade de Harvard e do Smithsonian Institution. Os resultados da pesquisa foram publicados no "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" em 26 de outubro de 2026. A equipe de pesquisa espera usar este universo virtual para comparar o modelo teórico com os dados obtidos pelo Telescópio Espacial James Webb e pelo Telescópio Espacial Romano Nancy Grace, que em breve serão colocados em observação científica, testando assim se as teorias cosmológicas existentes podem explicar a verdadeira aparência do universo primitivo.
A astronomia moderna tem sido capaz de observar galáxias extremamente distantes da Terra. A luz desses objetos leva bilhões de anos para chegar à Terra, então os telescópios podem realmente ajudar os humanos a olhar para trás, para a história inicial do universo. No entanto, as observações por si só não são suficientes para explicar completamente como estas galáxias se formaram. Os cientistas também precisam de utilizar simulações computacionais para deduzir como a matéria e a energia mudam ao longo de milhares de milhões de anos, começando pelas condições iniciais do universo e com base em leis físicas conhecidas.
Este tipo de simulação equivale à montagem de um laboratório virtual. Os pesquisadores podem ajustar diferentes condições físicas, observar interações entre estrelas, galáxias, gás e matéria escura e comparar os resultados da simulação com observações astronômicas reais. Se os dois coincidirem, significa que a teoria existente recebeu mais apoio; se houver diferenças óbvias, isso pode indicar que ainda existem lacunas na compreensão dos cientistas sobre a evolução do universo.
A característica mais marcante do Lumina é a sua escala. Toda a simulação cobre uma área cúbica com comprimento lateral de cerca de 1,5 bilhão de anos-luz, que é 100 vezes maior do que simulações semelhantes anteriores. Um âmbito espacial tão grande permite aos investigadores observar simultaneamente a formação de estruturas de grande escala no Universo, bem como os processos físicos que ocorrem em torno de galáxias individuais, estrelas e até buracos negros.
Esta pesquisa faz parte de uma simulação cósmica de hidrodinâmica de radiação. Ao contrário dos modelos que apenas rastreiam a distribuição da matéria, também requer cálculos de interações complexas entre gás, matéria escura e radiação. Embora a matéria escura não possa ser observada diretamente através da luz, ela pode afetar a formação de galáxias e outras estruturas cósmicas através da gravidade; a radiação liberada por objetos luminosos, como as estrelas, alterará a temperatura e o estado físico do gás circundante, afetando assim a evolução subsequente do universo.
A equipe de pesquisa prestou atenção especial a uma etapa extremamente importante na história do universo - o período de reionização. Havia uma grande quantidade de gás hidrogênio e hélio nos primeiros dias do universo. À medida que as primeiras estrelas e outros objetos luminosos apareceram, a radiação de alta energia que libertaram gradualmente retirou os eletrões dos átomos, transformando o gás circundante num estado ionizado. Este processo mudou profundamente as propriedades do gás no universo e também criou condições para a evolução subsequente de galáxias e estruturas de grande escala do universo.
Um avanço importante do Lumina é que, pela primeira vez em uma simulação desta escala, o processo de reionização do hélio pode ser rastreado dinamicamente, e as alterações causadas pela ionização do hélio podem afetar imediatamente outros processos físicos na simulação. Anteriormente, embora os investigadores pudessem estudar alguns fenómenos relacionados separadamente, era difícil ter simultaneamente em conta a estrutura geral do Universo e os objetos microscópicos que impulsionam estas mudanças numa gama espacial tão grande.
Aaron Smith, professor assistente de física na Universidade do Texas em Dallas, que participou no estudo, disse que a equipa de investigação é agora capaz de acompanhar como o hidrogénio e o hélio se transformaram gradualmente nos estados com os quais estão familiarizados hoje numa área tão vasta do Universo, mantendo ao mesmo tempo resolução suficiente para observar as galáxias e outros objetos luminosos que impulsionam esta mudança.
Concluir uma simulação tão complexa requer recursos computacionais extremamente grandes. Os pesquisadores usaram o supercomputador Frontier do Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos Estados Unidos, e usaram mais de 15 mil processadores gráficos para completar os cálculos. Frontier é um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, e seu poderoso poder de computação paralela permite que a equipe de pesquisa expanda o escopo das simulações, mantendo os detalhes necessários para estudar galáxias, estrelas e buracos negros individuais.
Os pesquisadores dizem que o Lumina não se trata apenas de criar uma demonstração visual da evolução do universo. O seu valor mais importante é ajudar os cientistas a testar diferentes explicações cosmológicas e fornecer previsões verificáveis para futuras observações telescópicas. Por exemplo, os investigadores irão analisar ainda mais como o gás flui entre diferentes galáxias, como a radiação que sobrou do Big Bang afeta a evolução do Universo e como as regiões onde ocorre e mudam a formação estelar particularmente ativa.
À medida que equipamentos como o Telescópio Espacial James Webb e o Telescópio Espacial Romano continuam a fornecer dados de observação mais detalhados do universo distante, espera-se que o Lumina se torne uma ferramenta importante conectando modelos teóricos e observações reais. Os cientistas podem comparar o universo simulado com o universo real, procurando fenômenos que as teorias existentes possam explicar, bem como aquelas diferenças que ainda não podem ser explicadas razoavelmente.
A equipa de investigação espera que este universo virtual que abrange 1,5 mil milhões de anos-luz acabe por ajudar os humanos a compreender mais profundamente o que aconteceu nos primeiros 2 mil milhões de anos após o Big Bang e como as primeiras galáxias nasceram da matéria e da energia do universo primitivo.
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