Simulação Lumina detalha evolução do Universo após o Big Bang

Uma nova simulação computacional, batizada de Lumina, oferece uma visão detalhada de como o Universo evoluiu nos primeiros bilhões de anos após o Big Bang. O projeto recria a interação entre matéria escura, gases quentes e os primeiros objetos cósmicos, ajudando cientistas a investigar como surgiram as primeiras estrelas e galáxias. As visualizações, divulgadas no domingo (25), representam a evolução do cosmos entre 50 milhões e dois bilhões de anos após o Big Bang.

O trabalho também permite comparar previsões teóricas com observações do telescópio espacial James Webb, que investiga fases cada vez mais antigas da história do Universo. Oliver Zier, cientista do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian e responsável pela iniciativa, explicou que, com os dados do Webb, os pesquisadores conseguem investigar épocas em que as primeiras estrelas e galáxias começaram a surgir, complementando o conhecimento obtido a partir de observações do Universo próximo.

A transição cósmica: da idade das trevas à ionização

Nos primeiros momentos após o Big Bang, o Universo era uma mistura quente de elétrons e núcleos atômicos. À medida que se expandiu e esfriou, formou-se uma neblina de hidrogênio e hélio. Nesse período, conhecido como idade das trevas cósmica, a radiação ultravioleta e os raios X percorriam distâncias curtas antes de serem absorvidos pelo gás neutro.

Milhões de anos depois, átomos de hidrogênio e hélio perderam elétrons novamente, em um processo chamado ionização. Essa transformação tornou o Universo transparente a comprimentos de onda mais curtos, permitindo que a radiação viajasse por distâncias maiores. Os astrônomos acreditam que as primeiras estrelas surgiram cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang e tiveram papel fundamental nessa mudança.

A simulação Lumina procura reconstruir essa transição: de um Universo quase sem estruturas, preenchido por gás frio e neutro, para um ambiente com galáxias primitivas, buracos negros em crescimento e matéria quente e ionizada entre esses objetos. A distribuição da matéria comum e da matéria escura cerca de 140 milhões de anos após o Big Bang foi simulada, com setas indicando a velocidade do gás primordial que influenciou a formação das primeiras galáxias.

Resultados da simulação Lumina

Para construir o modelo, a equipe simulou o comportamento da matéria escura, o crescimento de buracos negros, a formação de estrelas e as interações com os gases circundantes. O trabalho foi executado em um supercomputador do Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee (EUA), e levou aproximadamente um ano para ser concluído, abrangendo um volume de espaço com cerca de 1,5 bilhão de anos-luz de extensão.

Um dos resultados indica que a luz das estrelas foi a principal responsável pela ionização do hidrogênio no Universo primitivo, ocorrendo entre 500 milhões e um bilhão de anos após o Big Bang. No caso do hélio, o processo aconteceu em etapas: a radiação estelar removeu um elétron, e a radiação mais energética de buracos negros supermassivos retirou o segundo.

Os pesquisadores descreveram o trabalho em artigo publicado na revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. A ionização do hidrogênio no início do universo ocorreu em áreas isoladas, principalmente ao redor de estrelas, e durou centenas de milhões de anos.

A matéria escura e o futuro da pesquisa

Além dos dados científicos, a Lumina produziu vídeos que representam como o cosmos poderia ter se apresentado naquela época, mostrando a teia cósmica — estrutura formada por aglomerados e filamentos interligados, compostos principalmente por matéria escura. "É literalmente como a espinha dorsal do Universo", afirmou Zier.

Outra visualização se aproxima de um enorme halo de matéria escura que envolve um aglomerado de galáxias. A atração gravitacional desse halo puxa o gás intergaláctico para dentro, onde ele sofre aquecimento intenso e desacelera. Quando o gás esfria, passa a fornecer material para a formação de futuras estrelas. O gás hélio foi ionizado principalmente pela luz das estrelas e depois novamente pela acreção de buracos negros.

A equipe já começou a comparar os resultados da Lumina com dados coletados pelo telescópio espacial James Webb. O objetivo é verificar se as previsões da simulação correspondem ao que os astrônomos observam no Universo distante. Pesquisadores também esperam usar o modelo como referência para analisar dados do telescópio espacial Nancy Grace Roman. Se as observações coincidirem com as previsões da Lumina, isso reforçará a confiança no modelo. Diferenças poderão indicar processos ainda não compreendidos ou incorporados às teorias existentes.

O que diz a pesquisa

Um estudo publicado na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society em 2026 apresenta o projeto Lumina, uma simulação de grande volume em radiação-hidrodinâmica focada nas épocas de reionização do hidrogênio e hélio. A simulação evolui um volume cosmológico de lado de 500 Mpc com resolução de massa bariônica de $3.6\times 10^6$ M☉ e de matéria escura de $1.9\times 10^7$ M☉.

O projeto utiliza o código arepo, combinando o modelo de formação de galáxias IllustrisTNG com um solver de transporte de radiação M1 acelerado por GPU. Lumina prevê uma reionização do hidrogênio tardia, impulsionada principalmente por estrelas, com as últimas regiões neutras de H I persistindo até z≈4.75. A reionização de He II é impulsionada por AGNs e está quase completa em z=3. A simulação produz uma profundidade óptica de espalhamento Thomson em excelente acordo com os dados do Planck.