Tudo começou há cerca de 13,8 bilhões de anos com um grande “estrondo” cosmológico que trouxe o universo repentina e espetacularmente à existência. Pouco depois, o universo infantil esfriou dramaticamente e ficou completamente escuro.

Então, algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, o universo acordou, enquanto a gravidade reunia matéria nas primeiras estrelas e galáxias. A luz dessas primeiras estrelas transformou o gás circundante em um plasma quente e ionizado – uma transformação crucial conhecida como reionização cósmica que impulsionou o universo para a estrutura complexa que vemos hoje.

Agora, os cientistas podem obter uma visão detalhada de como o universo pode ter se desdobrado durante esse período crucial com uma nova simulação, conhecida como Thesan, desenvolvida por cientistas do MIT, da Universidade de Harvard e do Instituto Max Planck de Astrofísica.

Nomeado em homenagem à deusa etrusca do amanhecer, Thesan foi projetado para simular o “amanhecer cósmico” e especificamente a reionização cósmica, um período que tem sido difícil de reconstruir, pois envolve interações imensamente complicadas e caóticas, incluindo aquelas entre gravidade, gás, e radiação.

A simulação Thesan resolve essas interações com o maior detalhe e no maior volume de qualquer simulação anterior. Ele faz isso combinando um modelo realista de formação de galáxias com um novo algoritmo que rastreia como a luz interage com o gás, juntamente com um modelo de poeira cósmica.

Com Thesan, os pesquisadores podem simular um volume cúbico do universo abrangendo 300 milhões de anos-luz de diâmetro. Eles executam a simulação para frente no tempo para rastrear a primeira aparição e evolução de centenas de milhares de galáxias dentro deste espaço, começando cerca de 400.000 anos após o Big Bang e durante o primeiro bilhão de anos.

Até agora, as simulações se alinham com as poucas observações que os astrônomos têm do universo primitivo. À medida que mais observações são feitas deste período, por exemplo com o recém-lançado Telescópio Espacial James Webb, Thesan pode ajudar a colocar tais observações no contexto cósmico.

Por enquanto, as simulações estão começando a esclarecer certos processos, como até que ponto a luz pode viajar no início do universo e quais galáxias foram responsáveis ​​pela reionização.

“Thesan atua como uma ponte para o universo primitivo”, diz Aaron Smith, bolsista da NASA Einstein no 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.”

Smith e Mark Vogelsberger, professor associado de física do MIT, Rahul Kannan, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, e Enrico Garaldi, do Max Planck, introduziram a simulação de Thesan através de três artigos, o terceiro publicado hoje no Monthly Notices of the Royal Astronomical Sociedade .

Nos primeiros estágios da reionização cósmica, o universo era um espaço escuro e homogêneo. Para os físicos, a evolução cósmica durante essas primeiras “idades das trevas” é relativamente simples de calcular.

“Em princípio, você poderia resolver isso com caneta e papel”, diz Smith. “Mas em algum momento a gravidade começa a puxar e colapsar a matéria, primeiro lentamente, mas depois tão rapidamente que os cálculos se tornam muito complicados e temos que fazer uma simulação completa.”

Para simular totalmente a reionização cósmica, a equipe procurou incluir o maior número possível de ingredientes importantes do universo primitivo. Eles começaram com um modelo bem-sucedido de formação de galáxias que seus grupos desenvolveram anteriormente, chamado Illustris-TNG , que demonstrou simular com precisão as propriedades e populações de galáxias em evolução. Eles então desenvolveram um novo código para incorporar como a luz de galáxias e estrelas interage e reioniza o gás circundante – um processo extremamente complexo que outras simulações não conseguiram reproduzir com precisão em larga escala.

“Thesan segue como a luz dessas primeiras galáxias interage com o gás ao longo dos primeiros bilhões de anos e transforma o universo de neutro em ionizado”, diz Kannan. “Dessa forma, acompanhamos automaticamente o processo de reionização à medida que ele se desenrola.”

Finalmente, a equipe incluiu um modelo preliminar de poeira cósmica – outra característica exclusiva dessas simulações do universo primitivo. Este modelo inicial visa descrever como minúsculos grãos de material influenciam a formação de galáxias no universo inicial e esparso.

Com os ingredientes da simulação no lugar, a equipe estabeleceu suas condições iniciais para cerca de 400.000 anos após o Big Bang, com base em medições precisas da luz relíquia do Big Bang. Eles então evoluíram essas condições no tempo para simular um pedaço do universo, usando a máquina SuperMUC-NG - um dos maiores supercomputadores do mundo - que simultaneamente aproveitou 60.000 núcleos de computação para realizar os cálculos de Thesan em um equivalente a 30 milhões de CPU horas (um esforço que levaria 3.500 anos para ser executado em um único desktop).

As simulações produziram a visão mais detalhada da reionização cósmica, no maior volume de espaço, de qualquer simulação existente. Enquanto algumas simulações modelam em grandes distâncias, elas o fazem em resolução relativamente baixa, enquanto outras simulações mais detalhadas não abrangem grandes volumes.

“Estamos unindo essas duas abordagens: temos grande volume e alta resolução”, enfatiza Vogelsberger.

As primeiras análises das simulações sugerem que, no final da reionização cósmica, a distância que a luz era capaz de percorrer aumentou mais dramaticamente do que os cientistas haviam assumido anteriormente.

“Thesan descobriu que a luz não viaja grandes distâncias no início do universo”, diz Kannan. “Na verdade, essa distância é muito pequena e só se torna grande no final da reionização, aumentando por um fator de 10 em apenas algumas centenas de milhões de anos.”

Os pesquisadores também veem dicas do tipo de galáxias responsáveis ​​por conduzir a reionização. A massa de uma galáxia parece influenciar a reionização, embora a equipe diga que mais observações, feitas por James Webb e outros observatórios, ajudarão a identificar essas galáxias predominantes. 

“Existem muitas partes móveis na modelagem da reionização cósmica”, conclui Vogelsberger. “Quando podemos juntar tudo isso em algum tipo de maquinário e começar a executá-lo e isso produz um universo dinâmico, isso é para todos nós um momento bastante gratificante.”

Esta pesquisa foi apoiada em parte pela NASA, a National Science Foundation e o Gauss Center for Supercomputing.