A poeira cósmica — matéria microscópica que forma asteroides, cometas e, em última instância, planetas — pode nascer com estruturas muito diferentes dependendo da temperatura do ambiente onde se forma. Um novo estudo conduzido por pesquisadores da Oregon State University sugere que pequenas variações térmicas no gás ao redor de remanescentes de supernovas alteram profundamente a arquitetura desses grãos, influenciando inclusive suas chances de sobreviver à violência das explosões estelares.

Utilizando simulações tridimensionais detalhadas de coagulação de partículas, os físicos Lucas Kolanz, Davide Lazzati e Job Guidos demonstraram que agregados de poeira formados em temperaturas mais altas tendem a se tornar mais compactos e densos. O trabalho investiga como pequenas partículas — chamadas monômeros — se unem gradualmente para formar estruturas maiores em ambientes dominados por turbulência e colisões microscópicas. 

“Encontramos uma relação clara: quanto maior a temperatura do gás circundante, mais densos se tornam os agregados de poeira”, explica Kolanz. “Isso sugere que a física do ambiente térmico desempenha um papel decisivo na forma final desses grãos.” 

Embora minúscula, a poeira cósmica exerce um papel gigantesco na evolução das galáxias. Ela absorve luz estelar e a reemite em comprimentos de onda mais longos, podendo representar até metade da radiação observada em algumas galáxias. 

Esses grãos também são blocos fundamentais na formação de planetas e sistemas estelares. Contudo, sua origem — especialmente no Universo primitivo — ainda é tema de debate.

Existem duas fontes principais conhecidas de poeira: estrelas gigantes em fase final de evolução, conhecidas como AGB; e explosões de supernovas, que liberam enormes quantidades de material no espaço. 

O problema é que estrelas AGB demoram muito para evoluir. Observações recentes do telescópio espacial James Webb revelaram galáxias muito jovens contendo quantidades surpreendentemente grandes de poeira, sugerindo que supernovas devem ter produzido boa parte desse material. 

Mas há um obstáculo: grande parte da poeira formada em supernovas pode ser destruída por uma poderosa onda reversa — um choque que atravessa os detritos da explosão.

“Entre 50% e 98% da poeira recém-formada pode ser destruída nesse processo”, afirmam os autores, dependendo das condições do ambiente interestelar e das propriedades físicas dos grãos. 

Para entender melhor esse processo, os pesquisadores criaram um conjunto de simulações computacionais usando o código físico DECCO (Discrete Element Cosmic Collision).

O modelo reproduz colisões microscópicas entre partículas sólidas com raio típico de cerca de 0,1 micrômetro, aproximadamente mil vezes menor que a espessura de um fio de cabelo. 

As partículas se movem com velocidades determinadas pela temperatura do gás ao redor — seguindo a distribuição estatística de Maxwell-Boltzmann — e colidem repetidamente até formar agregados maiores.

Os cientistas testaram condições que variam de 3 kelvin a 1000 kelvin, simulando ambientes típicos de remanescentes de supernovas.

Também investigaram dois cenários: agregados formados por partículas todas do mesmo tamanho e agregados formados por partículas com tamanhos variados (distribuição lognormal).

Cada combinação foi repetida 30 vezes para reduzir efeitos aleatórios e permitir medições estatísticas robustas. 

Os resultados mostraram um padrão consistente: temperaturas mais altas produzem agregados estruturalmente mais compactos.

Nas simulações, os pesquisadores mediram a estrutura usando oito métricas diferentes — incluindo porosidade, dimensão fractal e número médio de contatos entre partículas.

A tendência aparece em praticamente todas as medidas.

“Em quase todos os casos observamos um aumento estatisticamente significativo da densidade estrutural à medida que a temperatura aumenta”, relatam os autores. 

O mecanismo físico é relativamente intuitivo. Em temperaturas maiores, as partículas colidem com maior energia. Isso permite que elas se reorganizem após o impacto, preenchendo vazios e formando estruturas mais compactas.

Já em ambientes muito frios, os grãos se agregam de maneira mais frágil, formando estruturas “fofas” e altamente porosas.

Outro resultado importante envolve a diversidade de tamanhos dos grãos.

Quando os agregados são formados por partículas de diferentes tamanhos, as estruturas resultantes também se tornam mais densas.

A explicação é geométrica: partículas menores podem preencher espaços vazios entre partículas maiores.

Além disso, agregados maiores — contendo centenas de partículas — demonstraram maior sensibilidade à temperatura do que agregados pequenos.

Essas descobertas podem ter implicações importantes para modelos de evolução galáctica.

Se a poeira formada em ambientes mais quentes for realmente mais densa, ela pode resistir melhor à destruição causada por ondas de choque em remanescentes de supernovas.

Isso poderia ajudar a explicar por que galáxias muito jovens parecem conter mais poeira do que os modelos atuais preveem.

Mas a história pode ser mais complexa.

Grãos menos densos, embora mais frágeis, têm maior área de superfície e interagem mais intensamente com o gás ao redor — o que pode alterar sua trajetória e reduzir o tempo de exposição à erosão por partículas energéticas.

“É difícil prever qual efeito dominará”, observam os autores. 

Os pesquisadores destacam que o estudo ainda simplifica vários aspectos da física real da poeira cósmica.

Por exemplo, as simulações assumem partículas perfeitamente esféricas e utilizam um modelo relativamente simples de forças intermoleculares.

Na realidade, grãos cósmicos podem ter formas irregulares e ligações químicas mais complexas.

Mesmo assim, o trabalho representa um passo importante para compreender um dos ingredientes mais fundamentais do cosmos.

“Para entender o destino da poeira formada em supernovas”, concluem os cientistas, “é essencial incorporar propriedades estruturais dos agregados nos modelos hidrodinâmicos de evolução desses remanescentes.”