Lumina recria em supercomputador os primeiros 2 bilhões de anos do Universo

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Como surgiram as primeiras estrelas e galáxias? E como o Universo deixou de ser opaco à luz e se tornou parecido com o cosmos que observamos hoje? Uma nova simulação chamada Lumina acompanha essas transformações durante os primeiros 2 bilhões de anos da história cósmica, combinando uma grande região do espaço com detalhes suficientes para acompanhar a formação de galáxias individuais.

Montagem de imagens produzidas pela simulação Lumina mostrando matéria escura, gás e a reionização do hidrogênio e do hélio
Montagem de imagens da simulação Lumina. Da esquerda para a direita: movimentos de partículas e matéria escura no início da simulação; estruturas de gás durante a reionização do hélio; regiões ionizadas por buracos negros supermassivos; e bolhas em que a radiação de galáxias ionizou o hidrogênio. Crédito: Lumina collaboration/MIT.

Uma simulação de grande escala e alta resolução

Lumina é uma simulação cosmológica: um modelo computacional que usa leis físicas e cálculos numéricos para acompanhar como a matéria e a radiação evoluem no Universo. Ela combina hidrodinâmica — o estudo do movimento de gases e fluidos — com o transporte da radiação, incluindo a luz ultravioleta capaz de alterar átomos e aquecer o gás ao redor das primeiras fontes luminosas.

O projeto acompanha matéria comum, matéria escura, gás, estrelas, galáxias e radiação numa região cúbica de cerca de 500 megaparsecs de lado, equivalente a aproximadamente 1,6 bilhão de anos-luz. O volume modelado é mais de cem vezes maior que o de simulações comparáveis anteriores, sem abrir mão de acompanhar estruturas em escalas menores, como galáxias em formação.

Segundo o Instituto Smithsonian, Lumina acompanha cerca de meio trilhão de elementos computacionais, incluindo partículas de matéria escura e células de gás. Para realizar os cálculos, a equipe usou o supercomputador Frontier, no Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos Estados Unidos. No pico do processamento, o trabalho reuniu mais de 15 mil unidades de processamento gráfico (GPUs), além do equivalente a mais de 100 mil núcleos de processamento central.

Do Universo opaco às primeiras fontes de luz

Nos primeiros momentos após o Big Bang, o Universo era extremamente quente e preenchido por partículas carregadas. À medida que se expandiu e esfriou, elétrons puderam se ligar a núcleos atômicos, formando principalmente átomos neutros de hidrogênio. Por centenas de milhares de anos, esse gás dificultou a passagem da luz, como uma névoa cósmica.

Por volta de 380 mil anos depois do Big Bang, a luz primordial passou a viajar pelo espaço. Ainda assim, o Universo atravessou um longo período sem estrelas. Essa fase é chamada de “idade das trevas cósmica”: não porque houvesse escuridão como a de uma noite na Terra, mas porque ainda não existiam estrelas e galáxias para iluminar o cosmos com luz própria.

Com o tempo, a gravidade reuniu matéria em regiões mais densas. As primeiras estrelas e galáxias começaram a se formar, produzindo radiação capaz de modificar o gás ao redor. Lumina simula essa evolução e procura mostrar como as primeiras estruturas luminosas transformaram o meio entre as galáxias.

Duas etapas de reionização

Uma transformação central acompanhada pela simulação é a reionização do hidrogênio. A radiação ultravioleta de estrelas e galáxias jovens retirou elétrons de parte dos átomos neutros de hidrogênio. À medida que essas regiões ionizadas cresceram e se encontraram, a luz passou a atravessar o espaço com mais facilidade.

Lumina também acompanha a reionização do hélio, que exige radiação mais energética. Os resultados do modelo indicam que essa etapa foi impulsionada principalmente por buracos negros supermassivos em atividade. Quando esses objetos atraem matéria, ela pode aquecer e emitir grandes quantidades de energia antes de cair no buraco negro.

O avanço da simulação está em acompanhar as duas reionizações — a do hidrogênio e a do hélio — na mesma estrutura computacional e num volume amplo, permitindo estudar como fontes distintas de radiação alteraram o gás ao longo do tempo. A equipe afirma que Lumina é a primeira simulação a capturar ambas em conjunto nessa escala e com esse nível de detalhe.

Um modelo para comparar com telescópios

Lumina não é uma gravação do Universo primordial nem uma fotografia de como ele era. É uma representação calculada a partir de teorias físicas, condições iniciais e modelos de processos cósmicos. As imagens coloridas são visualizações dos dados da simulação: as cores representam propriedades como densidade, temperatura, velocidade do gás ou regiões ionizadas; não são cores que um telescópio veria necessariamente daquela maneira.

O objetivo é comparar as previsões do modelo com observações reais. O Telescópio Espacial James Webb, por exemplo, já investiga galáxias muito distantes, cuja luz foi emitida quando o Universo era jovem. Ao confrontar essas observações com simulações como Lumina, os cientistas podem testar se suas explicações sobre a formação das primeiras galáxias e estrelas são compatíveis com os dados.

Quando os resultados não coincidem, isso pode revelar que algum ingrediente do modelo precisa ser revisto — como a forma pela qual estrelas produzem radiação, o efeito dos buracos negros ou a maneira como o gás se movimenta. Assim, a simulação também funciona como ferramenta para orientar novas perguntas e observações.

A equipe pretende disponibilizar Lumina para outros pesquisadores, que poderão usá-la para investigar diferentes etapas da evolução cósmica. Ao reunir uma região gigantesca do Universo e detalhes de galáxias em formação, o projeto oferece uma nova maneira de relacionar fenômenos locais — como o nascimento de estrelas — à transformação do cosmos em larga escala.

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