Do Universo primordial às primeiras galáxias
Há muito tempo, existiu um período em que as galáxias ainda não tinham conseguido juntar-se a partir da matéria primordial que preenchia o Universo em expansão depois da Grande Explosão.
De que forma esse processo aconteceu - e do que, exatamente, era composta essa matéria - tem sido, há décadas, um enigma. Agora, porém, cientistas podem ter aproximado a comunidade de uma explicação sobre como as galáxias se formaram e se transformaram ao longo do tempo, graças a simulações mais potentes do caos turbulento de poeira, estrelas recém-nascidas e química complexa no começo de tudo.
Os novos resultados indicam que as numerosas galáxias grandes observadas pelo JWST numa época mais antiga do Universo do que se imaginava possível podem, sim, formar-se sem violar os modelos atuais - desde que as simulações passem a incorporar mais pormenores.
"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. "Quando processos físicos fundamentais são representados de forma mais realista, o modelo fica consistente com o que observamos."
Depois da Grande Explosão, o espaço era uma espécie de confusão quente de plasma, semelhante a uma sopa, que precisou de algum tempo - algumas centenas de milhões de anos - para arrefecer e condensar o suficiente até dar origem às primeiras estrelas e galáxias. Compreender com precisão como ocorreu essa mudança essencial, de “sopa” para estrelas, é decisivo para explicar como o Universo chegou ao estado atual.
O problema é que esse trecho da história cósmica continua envolto em incertezas e, hoje, é impossível observá-lo diretamente. Por isso, investigadores recorrem a ferramentas como simulações, tentando reconstruir a formação e a evolução do Universo.
Como é de se esperar, isso exige um volume enorme de capacidade computacional, fornecida por supercomputadores. Para tornar o trabalho viável, muitas simulações acabam apoiadas em versões simplificadas da física subjacente - modelos reduzidos que ainda assim deveriam produzir resultados confiáveis.
A simulação cosmológica COLIBRE: gás frio, poeira e química
O projeto de simulação cosmológica COLIBRE foi criado justamente para diminuir algumas dessas lacunas. A proposta é incluir descrições físicas mais detalhadas do gás, da poeira e dos poderosos fluxos de saída impulsionados por estrelas e por buracos negros, com o objetivo de investigar a evolução do Universo primitivo.
"Grande parte do gás dentro de galáxias reais é frio e empoeirado, mas a maioria das grandes simulações anteriores tinha de ignorar isso", explica o astrónomo Joop Schaye, também da Universidade de Leiden. "Com o COLIBRE, finalmente colocamos esses componentes essenciais no quadro."
Na prática, o COLIBRE funciona como um Universo em miniatura dentro de uma caixa virtual. Os cientistas fornecem os “ingredientes”, definem as “regras” e deixam o sistema evoluir, desde antes do nascimento das estrelas até aos dias de hoje. Se, ao final, o que aparece na simulação se assemelha ao cosmos real ao nosso redor, então esses parâmetros podem ser entendidos como um retrato plausível dos processos que realmente ocorreram.
A maior das simulações consumiu 72 milhões de horas de CPU, mas o esforço compensou. O ponto de partida do programa foi o gás frio - o material a partir do qual se sabe que as estrelas se formam. Esse componente é difícil de representar com fidelidade, mas a equipa acrescentou a física e a química adicionais necessárias para fazê-lo funcionar.
Além disso, a simulação incorporou um modelo de poeira em que os grãos aparecem em três tipos e dois tamanhos. Esses grãos minúsculos conseguem afetar a evolução do Universo de várias maneiras. A poeira, por exemplo, favorece a união de átomos livres em moléculas e também molda a propagação da radiação ao bloquear ou interagir com comprimentos de onda específicos.
O que os resultados dizem sobre o JWST - e o enigma dos Pequenos Pontos Vermelhos
No fim, os investigadores conseguiram gerar um Universo virtual que se parecia como um gémeo do nosso.
"É empolgante ver ‘galáxias’ surgirem do nosso computador com um aspeto indistinguível do real e partilharem muitas das propriedades que os astrónomos medem em dados observacionais, como quantidade, luminosidades, cores e tamanhos", diz o físico Carlos Frenk, da Universidade de Durham, no Reino Unido.
"O mais notável é que conseguimos produzir esse Universo sintético apenas ao resolver as equações relevantes da física num Universo em expansão."
Apesar de o COLIBRE aproximar as simulações do Universo real, ainda existem questões em aberto. Um dos maiores mistérios que o JWST trouxe à tona no chamado Amanhecer Cósmico é um fenómeno a que os astrónomos deram o nome de Pequenos Pontos Vermelhos.
As hipóteses propostas vão desde estrelas gigantes até buracos negros gigantes, passando por estrelas gigantes com buracos negros no interior. Seja lá o que forem, resistem a explicações simples - e o COLIBRE também ainda não oferece uma resposta para eles.
A questão dos Pequenos Pontos Vermelhos pode tornar-se o centro de investigações futuras. Por enquanto, os resultados mostram que estamos mais perto de obter respostas sobre um dos períodos mais misteriosos da história do nosso Universo.
O artigo científico foi publicado na revista Notícias Mensais da Sociedade Astronómica Real.
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