Cientistas recriam 'infância' do Universo com simulação inédita

Um grupo internacional de astrofísicos divulgou no último domingo (25) imagens geradas pela Lumina, uma simulação computacional que reconstrói a evolução do Universo desde o período logo após o Big Bang até cerca de 2 bilhões de anos depois. O trabalho, publicado nesta segunda-feira (26) na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, utilizou dados de satélites sobre as condições iniciais do cosmos e as leis da física para modelar o surgimento e a expansão das primeiras bolhas de luz em torno das galáxias, que gradualmente dissiparam a névoa de gás frio que encobria o Universo primitivo.

A simulação abrange um volume de 1,6 bilhão de anos-luz de lado e acompanhou o movimento de centenas de bilhões de partículas de gás e matéria escura, utilizando o supercomputador Frontier, nos Estados Unidos. O objetivo foi entender como o Universo deixou de ser escuro, um período conhecido como era das trevas cósmicas, quando o gás hidrogênio e hélio bloqueava a luz mais energética.

Como o Universo saiu da escuridão

Logo após o Big Bang, o Universo era quente e, ao se expandir, esfriou, formando um gás de hidrogênio e hélio. Essa substância funcionava como uma neblina, impedindo a passagem de luz ultravioleta. A dissipação dessa névoa começou cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang, com o nascimento das primeiras estrelas. A luz estelar, forte o suficiente para quebrar os átomos do gás, tornou o Universo gradualmente transparente.

As imagens da Lumina mostram que esse processo não foi uniforme. Regiões com maior concentração de galáxias se tornaram luminosas primeiro, enquanto grandes vazios permaneceram escuros por mais tempo. A simulação indica que os últimos bolsões de névoa desapareceram por volta de 1 bilhão de anos após o Big Bang, um período que coincide com medições astronômicas.

O modelo também detalha as duas principais fases de reionização. A primeira, impulsionada majoritariamente por estrelas, tornou o hidrogênio transparente. O hélio, por sua vez, exigiu uma luz mais intensa, proveniente de quasares (buracos negros supermassivos), para se tornar transparente. Essa segunda etapa, iniciada após a primeira, estava quase completa perto dos 2 bilhões de anos. A Lumina é a primeira simulação a retratar ambas as fases com tal detalhe, incluindo o aquecimento do gás por raios X de galáxias antes mesmo da reionização estelar.

O que a simulação ainda não explica

Apesar de acertar em muitos pontos e confirmar a física conhecida para explicar a infância do Universo, a simulação Lumina apresenta uma discrepância significativa com as observações recentes do telescópio espacial James Webb. Desde 2022, o telescópio tem detectado galáxias no Universo jovem que são maiores e mais brilhantes do que as teorias atuais e a simulação preveem.

Enquanto a Lumina modela com precisão galáxias pequenas e médias, ela falha em reproduzir as galáxias gigantescas, com mais de 100 bilhões de vezes a massa do Sol, especialmente quanto mais cedo na história cósmica. Os autores sugerem que essas galáxias podem ter formado estrelas mais rapidamente ou produzido mais estrelas gigantescas do que se pensava.

Outras hipóteses incluem a necessidade de ajustes nas leis físicas que descrevem o Universo ou a possibilidade de que as medições do James Webb possuam uma margem de erro maior. Os dados completos da Lumina serão disponibilizados para outros cientistas em 2028, e o grupo já planeja novos estudos para investigar essas divergências.

O que diz a pesquisa

A simulação Lumina, descrita em um estudo publicado na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society em 2026, é uma simulação de grande volume que segue a evolução acoplada do meio intergaláctico (IGM), galáxias e núcleos galácticos ativos (AGNs) através das épocas de reionização de H I, He I e He II até o redshift z=3. O projeto evolui um volume cosmológico com lado de 500 cMpc e resolução de 2x6000³, com resoluções de massa de matéria bariônica e escura de 3.6x10⁶ e 1.9x10⁷ M☉, respectivamente.

Utilizando o código de malha móvel arepo, o modelo combina a formação de galáxias do modelo IllustrisTNG com um solver de transporte de radiação M1 acelerado por GPU em seis bandas de frequência. A simulação prevê uma reionização de hidrogênio tardia, impulsionada predominantemente por estrelas, com a mediania do subvolume totalmente ionizado por z≈5.2 e remanescentes de H I neutro persistindo até z≈4.75. A reionização de He II é impulsionada de forma autoconsistente por AGNs e está quase completa em z=3. O modelo produz uma profundidade óptica de espalhamento Thomson em excelente acordo com os dados da Planck.