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Simulação mostra como as luzes do universo começaram a se espalhar

Por| Editado por Patricia Gnipper | 24 de Março de 2022 às 17h48

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Wikipedia, Pablo Carlos Budassi
Wikipedia, Pablo Carlos Budassi

Uma simulação de supercomputador conseguiu mostrar como o universo se comportou durante a chamada Era da Reionização, na qual as luzes dos primeiros objetos colapsados começou a viajar pelo cosmos. Essa é a maior visão de alta resolução em relação às simulações anteriores do mesmo período do universo.

Nos primeiros momentos após o Big Bang, ocorreu uma série de interações complexas, algumas das quais os físicos ainda não desvendaram. Entre 10 segundos e 370 mil anos após o Big Bang, o universo esfriou e, em seguida, foi dominado pelo período conhecido como Idade das Trevas, que só terminou com a reionização dos gases.

Era da Reionização cósmica

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A primeira grande fase de transição do gás foi a recombinação, que ocorreu 379.000 anos após o Big Bang devido ao resfriamento do universo. Esse resfriamento fez com que a taxa de recombinação de elétrons e prótons para formar hidrogênio neutro se tornasse maior que a taxa de reionização (separação dos elétrons e prótons de um átomo).

O universo era opaco devido à dispersão de fótons e elétrons livres, mas tornou-se cada vez mais transparente à medida que mais elétrons e prótons se combinavam para formar átomos de hidrogênio neutros. Em outras palavras, o universo estava cheio de hidrogênio neutro opaco em alguns comprimentos de onda absorvidos.

Nesse ponto, começa a Idade das Trevas do universo, porque não havia outras fontes de luz além da radiação cósmica de fundo, formada 380 mil anos após o Big Bang. Mas a matéria começava a se agrupar devido à gravidade — primeiro muito lentamente, mas acelerando o processo cada vez mais.

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A Era da Reionização ocorre quando os objetos começam a se condensar com energia suficiente para reionizar o hidrogênio neutro. Isto leva à formação das primeiras galáxias, que interagiam com o gás hidrogênio neutro para reionizá-lo. À medida que esses objetos formavam e irradiavam energia, um plasma se formou a partir da ionização dos átomos.

Todo esse processo é contínuo, mas os cientistas ainda não sabem muito bem como a matéria se comportou durante a reionização. Quando a matéria começa a colapsar e interagir com as partículas do gás, tudo começa a acontecer tão rapidamente que os cálculos se tornam muito complicados.

Por isso, os cientistas contam com as simulações de supercomputadores. Algumas já foram feitas antes, para simular a reionização do cosmos, mas os resultados de boa resolução mostravam regiões muito pequenas do espaço, ou grandes espaços simulados resultavam em poucos detalhes.

Simulando o alvorecer cósmico

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Neste novo estudo, os pesquisadores do MIT, da Universidade de Harvard e do Instituto Max Planck de Astrofísica precisavam de uma simulação completa. Eles combinaram um modelo realista de formação de galáxias com um novo algoritmo que rastreia como a luz interage com o gás. Também adicionaram um modelo de poeira cósmica.

A nova simulação foi batizada como Thesan, nome da deusa do amanhecer na cultura etrusca — já que a Era da Reionização também é conhecida como alvorecer cósmico. A simulação Thesan resolve as interações caóticas dessa época com o maior detalhe e no maior volume de qualquer simulação anterior.

No vídeo da simulação acima, observamos a evolução do gás hidrogênio neutro e da radiação. As cores representam a densidade e o brilho, revelando a reionização irregular dentro de uma rede de filamentos de gás neutro de alta densidade. O intervalo de tempo é entre 247 milhões de anos após o Big Bang e 1,044 bilhão de anos.

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Nas primeiras análises das simulações, os cientistas observaram que, no final da reionização cósmica, a distância que a luz conseguia viajar no universo aumentou mais do que os cientistas haviam deduzido anteriormente. “A luz não viaja grandes distâncias no início do universo”, dizem os autores.

Só no final da reionização é que a luz começa a aumentar suas distâncias percorridas. Os modelos anteriores sugerem que isso ocorre quando a luz ultravioleta dividiu os átomos de hidrogênio, atravessando esses grandes aglomerados de gás e poeira da idade das trevas. Quando o universo tinha cerca de um bilhão de anos, a reionização e distâncias percorridas pela luz já aumentaram por um fator de 10.

Por fim, a simulação também deu dicas do tipo de galáxias responsáveis ​​por conduzir a reionização, mas serão necessárias novas observações feitas por telescópios como James Webb. “Existem muitas partes móveis na modelagem da reionização cósmica. Quando podemos juntar tudo isso em algum tipo de maquinário e começar a executá-lo e isso produz um universo dinâmico”.

Fonte: MIT