Com o Big Bang, o universo surgiu como uma sopa quente e densa de elétrons e partículas subatômicas. Esse plasma ionizado primordial, inicialmente menor que um único átomo, expandiu-se e resfriou-se rapidamente. Nesse processo, as partículas na sopa desaceleraram o suficiente para se ligarem aos elétrons, formando hidrogênio eletricamente neutro. 

À medida que esse hidrogênio neutro se acumulava, o efeito era como um véu, impedindo a passagem livre da luz e de outras formas de radiação. Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o universo mergulhou em uma "era das trevas" cósmica. 

Agora, uma nova simulação computacional está fornecendo aos cientistas uma visão detalhada de como as primeiras galáxias, estrelas e outras estruturas podem ter se desenvolvido a partir daquela época, para eventualmente tirar o universo de sua era das trevas. 

Em um artigo publicado hoje no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) , físicos do MIT, da Universidade de Harvard e de outras instituições apresentam Lumina — uma simulação de grande volume e alta resolução que acompanha o universo primitivo desde a Idade das Trevas até os próximos 2 bilhões de anos de evolução cósmica. 

Lumina abrange uma vasta área do universo primitivo com 500 megaparsecs, ou cerca de 1,6 bilhão de anos-luz de diâmetro. Nesse espaço, a simulação rastreia a evolução da matéria escura, do gás, das estrelas e da radiação (como os fótons), em escalas cósmicas gigantescas e também em detalhes, como o desenvolvimento de uma galáxia individual. 

Ao longo dos 2 bilhões de anos que Lumina simula, ela captura o surgimento de duas grandes transformações na história cósmica: a reionização do hidrogênio e a reionização do hélio.

A reionização do hidrogênio é um período em que as estrelas primitivas conseguiam emitir luz ultravioleta suficiente para interagir com o hidrogênio neutro e remover seu elétron. Essa "reionização" impedia o hidrogênio de absorver fótons, permitindo que a luz viajasse livremente. A reionização do hidrogênio ajudou a revelar o hidrogênio neutro — um processo que o Lumina captura em detalhes pela primeira vez. 

A simulação também rastreia a reionização do hélio, um processo semelhante ao do hidrogênio, no qual a luz de energia muito mais alta quebra o hélio neutro. 

Em suas simulações detalhadas, o Lumina revelou que a reionização do hidrogênio provavelmente foi impulsionada pela luz de galáxias e estrelas primordiais. Em contraste, a reionização do hélio foi alimentada por buracos negros supermassivos muito mais energéticos em suas fases ativas de acreção. Juntas, essas descobertas representam a primeira vez que uma simulação capturou a reionização tanto do hidrogênio quanto do hélio.

Ele e seus colegas estão disponibilizando o Lumina para a comunidade científica, para que os cientistas possam comparar suas simulações detalhadas da evolução das primeiras estruturas cósmicas com imagens capturadas por telescópios novos e futuros. Assim, poderão começar a reconstruir os processos que moldaram as primeiras galáxias, estrelas e estruturas do universo. 

Os coautores do estudo, do MIT, são Xuejian (Jacob) Shen e Teodora-Elena Bluichi. Outros autores incluem o primeiro autor Oliver Zier (ex-pós-doutorando do Laboratório Vogelsberger), Rongrong Liu, Sonja Koehler e Lars Hernquist, do Centro de Astrofísica de Harvard e Smithsonian; Aaron Smith, da Universidade do Texas em Dallas; Rahul Kannan, da Universidade de York, no Canadá; e Volker Springel e Rüdiger Pakmor, do Instituto Max Planck de Astrofísica, na Alemanha.

Lumina recebe seu nome da palavra latina que significa "luzes". No coração de Lumina está  o IllustrisTNG , que foi desenvolvido anteriormente por cientistas do MIT e de outras instituições, incluindo membros da equipe Lumina. O IllustrisTNG é uma simulação em larga escala que rastreia as interações da matéria escura, do gás e de outros processos envolvidos na formação de galáxias, desde o Big Bang até os dias atuais. 

Ao construir o Lumina, a equipe refinou o código do IllustrisTNG para permitir que a simulação rastreasse a formação de galáxias com o mesmo nível de detalhe, mas em um volume muito maior. Eles combinaram esse modelo de galáxia aprimorado com um modelo de transporte de radiação, que simula como diferentes formas de radiação, como a luz ultravioleta, interagem em escalas cósmicas extremamente grandes para capturar processos como a reionização do hidrogênio. 

A nova e aprimorada simulação resolve detalhes extremamente finos em escalas gigantescas. Na prática, a simulação abrange meio trilhão de elementos individuais, incluindo partículas de matéria escura e células de gás, o que representa uma resolução cerca de 30 vezes maior que a do IllustrisTNG. O Lumina captura todos esses detalhes e os projeta para o futuro, em uma área enorme de aproximadamente 500 megaparsecs, que é 100 vezes maior em volume do que as simulações anteriores. 

Realizar os cálculos para cada célula individual ao longo de 2 bilhões de anos de tempo cósmico, e em escalas extremamente grandes e muito pequenas, envolve uma quantidade significativa de poder computacional. A equipe executou o Lumina no Frontier, um dos supercomputadores mais poderosos do mundo, localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee. 

“Em sua escala máxima, o cálculo reúne o equivalente a mais de 100.000 núcleos de CPU e cerca de 15.000 GPUs”, diz Shen. “Fazer com que todos esses processadores se comuniquem de forma eficiente, enquanto processam continuamente trilhões de informações interativas, é por si só uma façanha extraordinária da engenharia da computação.”

A Lumina inicia suas simulações cerca de 45 milhões de anos após o Big Bang, em plena Idade das Trevas, quando o hidrogênio neutro dominava o universo primitivo. Os pesquisadores configuraram a simulação com condições iniciais que se aproximam do que os físicos teorizam que deveria ter existido em um período cósmico tão obscuro. 

Em seguida, eles deixaram o Lumina rodar para calcular como a matéria nesses momentos, na forma de gás e matéria escura, interage nas quinhentas milionésimas células da simulação. Simultaneamente, a simulação calcula onde e como a radiação, como a luz ultravioleta das estrelas, emerge e interage com o ambiente ao seu redor.

No  site do projeto , a equipe disponibiliza diversos vídeos que ilustram as várias escalas, períodos de tempo, processos físicos e camadas de estruturas cósmicas simuladas pela Lumina. Exemplos incluem um zoom que parte de uma região extensa do universo até uma única galáxia em forma de disco; e uma sequência em time-lapse do volume total, ao longo de 2 bilhões de anos, que captura o padrão de reionização do hidrogênio ao longo do tempo. 

“Por um lado, está simulando a evolução da matéria escura e do gás no universo e, por outro, também está rastreando como a radiação se propaga”, explica Zier. “Observamos a matéria escura e o gás começarem a se aglomerar nessas regiões de alta densidade. E quando ampliamos a imagem, podemos ver o gás caindo nesses halos de matéria escura. Ampliando ainda mais, vemos que é aí que as primeiras galáxias se formam. E as primeiras estrelas se formam nessas primeiras galáxias. Essas estrelas, então, criam radiação. A simulação rastreia essa radiação e podemos ampliar bastante a imagem para ver como essa radiação se propaga das estrelas, através do universo, até que, em algum ponto, ioniza o hidrogênio neutro.”

“Outras simulações não conseguem dar um zoom tão grande quanto este”, observa Vogelsberger. “A diferença entre as menores e as maiores escalas que simulamos é maior do que em qualquer outra simulação.”

Olhando para o futuro, a equipe planeja aplicar o Lumina para mapear a estrutura em larga escala do universo primitivo. A simulação também pode ajudar a prever os padrões de ondas gravitacionais que as galáxias primordiais e os buracos negros podem produzir. Tudo o que o Lumina simular poderá em breve ser comparado com observações reais de telescópios novos e futuros.

“Uma das principais vantagens do Lumina é seu tamanho gigantesco”, diz Shen. “Ele produz populações enormes de galáxias simuladas, permitindo-nos finalmente fazer comparações com as amostras muito grandes de galáxias que os próximos levantamentos irão observar.”

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela NASA e pela Fundação Nacional de Ciência (National Science Foundation) e utilizou recursos do Centro de Computação de Liderança de Oak Ridge (Oak Ridge Leadership Computing Facility) no Laboratório Nacional de Oak Ridge, que é apoiado pelos programas de Pesquisa em Computação Científica Avançada do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.