Há muito tempo, existiu uma era anterior ao momento em que as galáxias se juntaram a partir da matéria primordial que preenchia o Universo em expansão após a Grande Explosão.
Durante décadas, a forma como esse processo aconteceu - e do que era feita essa matéria - manteve-se em grande parte envolta em incerteza. Agora, contudo, os cientistas poderão ter dado um passo em frente para perceber melhor como as galáxias nasceram e evoluíram, graças a simulações mais potentes do caos irregular de pó, estrelas recém-formadas e química complexa nos primórdios do tempo.
Os novos resultados indicam que as numerosas galáxias grandes observadas pelo JWST numa fase mais precoce do Universo do que se julgava possível podem, afinal, formar-se sem contrariar os modelos actuais - desde que as simulações passem a incluir mais pormenores físicos.
"Alguns resultados iniciais do JWST foram considerados um desafio ao modelo cosmológico padrão", afirma o astrónomo Evgenii Chaikin, da Universidade de Leiden, nos Países Baixos. "Assim que os processos físicos essenciais são representados de forma mais realista, o modelo fica em linha com o que observamos."
Do plasma primordial às primeiras galáxias
Após a Grande Explosão, o espaço era, por assim dizer, uma confusão quente de plasma denso, que precisou de algum tempo - algumas centenas de milhões de anos - para arrefecer e condensar o suficiente até permitir o aparecimento das primeiras estrelas e galáxias. Compreender, com rigor, esta passagem fundamental de “sopa” para estrelas é decisivo para explicar como o Universo chegou ao estado que hoje observamos.
O problema é que se trata de uma fase obscura da história cósmica que, neste momento, é impossível de observar directamente. Por isso, os investigadores recorrem a ferramentas como simulações para tentar reproduzir a formação e a evolução do Universo.
Como é fácil imaginar, isto exige uma enorme capacidade de cálculo fornecida por supercomputadores. Para tornar o esforço computacional mais viável, muitas simulações apoiam-se em descrições simplificadas da física subjacente, assumindo ainda assim que os resultados continuam fiáveis.
Simulações cosmológicas COLIBRE e o papel do gás e do pó
O projecto de simulação cosmológica COLIBRE foi concebido para colmatar parte dessas lacunas. Para estudar a evolução do Universo primordial, incorpora modelos físicos mais detalhados do gás, do pó e dos poderosos escoamentos impulsionados por estrelas e por buracos negros.
"Grande parte do gás dentro das galáxias reais é frio e poeirento, mas a maioria das simulações extensas anteriores teve de ignorar isto", explica o astrónomo Joop Schaye, também da Universidade de Leiden. "Com o COLIBRE, finalmente colocamos estes componentes essenciais no modelo."
Na prática, o COLIBRE funciona como um Universo em miniatura dentro de uma “caixa” virtual. Os cientistas introduzem os ingredientes, definem as regras e deixam a simulação decorrer desde antes do nascimento das estrelas até à actualidade. Se, no fim, o que surge se assemelhar ao cosmos real, então esses parâmetros podem ser entendidos como uma aproximação plausível aos processos que efectivamente ocorreram.
A maior das simulações consumiu 72 milhões de horas de CPU, mas os autores consideram que o esforço compensou. O programa foi construído com base no gás frio a partir do qual se sabe que as estrelas se formam. Modelar este cenário é bastante complexo; ainda assim, os investigadores acrescentaram a física e a química adicionais necessárias para tornar o quadro mais realista.
A simulação integrou ainda um modelo de poeiras no qual os grãos existem em três tipos e dois tamanhos. Estes grãos minúsculos conseguem influenciar a evolução do Universo de várias formas: por exemplo, o pó favorece a união de átomos livres em moléculas e altera a forma como a radiação se propaga, ao bloquear ou ao interagir com comprimentos de onda específicos.
No final, a equipa conseguiu gerar um Universo virtual que se apresenta como um gémeo do nosso.
"É entusiasmante ver ‘galáxias’ a saírem do nosso computador que parecem indistinguíveis das reais e que partilham muitas das propriedades que os astrónomos medem em dados observacionais, como o seu número, luminosidades, cores e tamanhos", afirma o físico Carlos Frenk, da Universidade de Durham, no Reino Unido.
"O mais notável é conseguirmos produzir este Universo sintético apenas resolvendo as equações relevantes da física num Universo em expansão."
O que o JWST revelou: galáxias grandes e os Pequenos Pontos Vermelhos
Apesar de o COLIBRE aproximar as simulações do Universo real, continuam a existir perguntas por responder. Um dos maiores enigmas que o JWST trouxe à luz a partir da Aurora Cósmica é um fenómeno a que os astrónomos chamam Pequenos Pontos Vermelhos.
As hipóteses propostas têm variado entre estrelas gigantes, buracos negros gigantes, ou mesmo estrelas gigantes com buracos negros no seu interior. Seja qual for a explicação correcta, estes objectos resistem a interpretações simples - e, por agora, o COLIBRE também não oferece uma resposta para eles.
A questão dos Pequenos Pontos Vermelhos poderá vir a estar no centro de investigações futuras. Ainda assim, estes 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 nas Notícias Mensais da Sociedade Astronómica Real.
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