Houve um tempo em que nosso Universo não era nada além de um mar opaco e sem luz de gás rodopiante.
No momento em que o Universo tinha um bilhão de anos, no entanto, tudo mudou. A radiação das primeiras estrelas e galáxias causou uma alteração dramática, permitindo que a luz fluísse livremente por todo o espectro eletromagnético.
Uma nova simulação, chamada Thesan em homenagem à deusa etrusca do amanhecer, permitiu aos cientistas investigar a Idade das Trevas do Universo. É uma nova ferramenta para ver em detalhes como as luzes podem ter se ligado, no Cosmic Dawn. E é absolutamente lindo.
“Thesan atua como uma ponte para o Universo primitivo”, disse o físico Aaron Smith, do 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”.
A maior parte do que sabemos sobre o Universo, aprendemos com a luz (com a notável exceção das ondas gravitacionais, um campo da astronomia ainda em sua infância). Então, quando a luz é impedida de alguma forma, isso causa alguns problemas; apenas olhe (ou não olhe, conforme o caso) para os buracos negros, que não emitem radiação detectável.
O Universo inicial entre 50 milhões e 1 bilhão de anos após o Big Bang é outro caso. Este período é conhecido como o Amanhecer Cósmico, o momento em que o Universo como o conhecemos hoje estava começando a se formar a partir do plasma primordial. Antes que as primeiras estrelas surgissem, ele estava cheio de uma névoa quente e escura de gás ionizado. A luz era incapaz de viajar livremente através deste nevoeiro; simplesmente espalhou elétrons livres.
Uma vez que o Universo esfriou o suficiente, prótons e elétrons começaram a se recombinar em átomos de hidrogênio neutros. Isso significava que a luz poderia finalmente viajar pelo espaço. À medida que as primeiras estrelas e galáxias começaram a se formar, cerca de 150 milhões de anos após o Big Bang, sua luz ultravioleta gradualmente reionizou o hidrogênio neutro onipresente em todo o Universo, permitindo que todo o espectro de radiação eletromagnética fluísse livremente. Esta é a época da reionização.
Cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang, o Universo foi completamente reionizado; antes dessa marca de 1 bilhão de anos, no entanto, não podemos realmente ver com nossos instrumentos atuais, o que dificulta a compreensão desse crítico Amanhecer Cósmico.
“A maioria dos astrônomos não tem laboratórios para realizar experimentos. As escalas de espaço e tempo são muito grandes, então a única maneira de fazer experimentos é em computadores”, disse o astrofísico Rahul Kannan, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
“Somos capazes de usar equações básicas de física e modelos teóricos para simular o que aconteceu no início do Universo”.
Thesan começa com um modelo realista de formação de galáxias, juntamente com um novo algoritmo para reproduzir como a luz interage e reioniza o gás ambiente e um modelo de poeira cósmica.
Esses processos e interações são muito complicados; para simular uma seção do Universo com 300 milhões de anos-luz de diâmetro, de 400.000 a um bilhão de anos após o Big Bang, a equipe usou um poderoso supercomputador, a máquina SuperMUC-NG, que usou o equivalente a 30 milhões de horas de CPU para executar o Thesan.
A simulação resultante é a visão mais detalhada até agora da Epoch of Reionization, capturando a física em escalas um milhão de vezes menores do que as regiões simuladas, disseram os pesquisadores. Isso dá uma visão “sem precedentes” da forma como as primeiras galáxias se formaram e interagiram com o gás do Universo primitivo. Mostra uma mudança gradual à medida que a luz começa a se infiltrar no Universo.
“É um pouco como água em bandejas de cubos de gelo; quando você coloca no freezer, leva tempo, mas depois de um tempo começa a congelar nas bordas e depois se arrasta lentamente”, disse Smith. “Esta era a mesma situação no início do Universo – era um cosmos neutro e escuro que se tornou brilhante e ionizado quando a luz começou a emergir das primeiras galáxias.”
Curiosamente, Thesan mostrou que inicialmente a luz não viaja muito longe. É apenas no final da reionização que a luz é capaz de percorrer grandes distâncias. A equipe também viu quais tipos de galáxias tiveram a maior influência na reionização, com a massa galáctica desempenhando um grande papel.
Também não teremos que esperar muito para descobrir a precisão da simulação. O Telescópio Espacial James Webb (JWST) deve iniciar as operações científicas em alguns meses e foi parcialmente projetado para observar cerca de 300.000 anos após o Big Bang, quando a reionização estava em pleno andamento.
“E essa é a parte interessante”, disse o físico Mark Vogelsberger, do MIT.
“Ou nossas simulações e modelos de Thesan concordarão com o que o JWST encontra, o que confirmaria nossa imagem do Universo, ou haverá um desacordo significativo mostrando que nossa compreensão do Universo primitivo está errada”.
De qualquer forma, vamos aprender algo muito emocionante sobre o misterioso nascimento e os primeiros anos do nosso incrível Universo.
Publicado em 26/03/2022 10h32
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