Cientistas desenvolvem o maior e mais detalhado modelo do universo primitivo atéhoje
Batizada com o nome de uma deusa do amanhecer, a simulaa§a£o de Thesan do primeiro bilha£o de anos ajuda a explicar como a radiaa§a£o moldou o universo primitivo.

Evolução das propriedades simuladas na corrida principal de Thesan. O tempo avana§a da esquerda para a direita. A matéria escura (painel superior) colapsa na estrutura da teia ca³smica, composta por aglomerados (haloes) conectados por filamentos, e o gás (segundo painel do topo) segue, colapsando para criar gala¡xias. Estes produzem fa³tons ionizantes que impulsionam a reionização ca³smica (terceiro painel a partir do topo), aquecendo o gás no processo (painel inferior). Cortesia de Simulações THESAN
Tudo começou hácerca de 13,8 bilhaµes de anos com um grande “estrondo†cosmola³gico que trouxe o universo repentina e espetacularmente a existaªncia. 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 gala¡xias. A luz dessas primeiras estrelas transformou o gás circundante em um plasma quente e ionizado osuma transformação crucial conhecida como reionização ca³smica 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 a deusa etrusca do amanhecer, Thesan foi projetado para simular o “amanhecer ca³smico†e especificamente a reionização ca³smica, um período que tem sido difacil de reconstruir, pois envolve interações imensamente complicadas e caa³ticas, 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 gala¡xias com um novo algoritmo que rastreia como a luz interage com o gás, juntamente com um modelo de poeira ca³smica.
Com Thesan, os pesquisadores podem simular um volume caºbico do universo abrangendo 300 milhões de anos-luz de dia¢metro. Eles executam a simulação para frente no tempo para rastrear a primeira aparição e evolução de centenas de milhares de gala¡xias dentro deste Espaço, comea§ando cerca de 400.000 anos após o Big Bang e durante o primeiro bilha£o de anos.
Atéagora, as simulações se alinham com as poucas observações que os astrônomos tem do universo primitivo. Amedida que mais observações são feitas deste período, por exemplo com o recanãm-lana§ado Telescópio Espacial James Webb, Thesan pode ajudar a colocar tais observações no contexto ca³smico.
Por enquanto, as simulações estãocomea§ando a esclarecer certos processos, como atéque ponto a luz pode viajar no inicio do universo e quais gala¡xias foram responsa¡veis ​​pela reionização.
“Thesan atua como uma ponte para o universo primitivoâ€, 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 estãoprontas para alterar fundamentalmente nossa compreensão do cosmos.â€
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 atravanãs de três artigos, o terceiro publicado hoje no Monthly Notices of the Royal Astronomical Sociedade .
Siga a luz
Nos primeiros esta¡gios da reionização ca³smica, o universo era um espaço escuro e homogaªneo. Para os fasicos, a evolução ca³smica durante essas primeiras “idades das trevas†érelativamente simples de calcular.
“Em princapio, vocêpoderia resolver isso com caneta e papelâ€, diz Smith. “Mas em algum momento a gravidade comea§a a puxar e colapsar a matéria, primeiro lentamente, mas depois tão rapidamente que os ca¡lculos se tornam muito complicados e temos que fazer uma simulação completa.â€
Para simular totalmente a reionização ca³smica, a equipe procurou incluir o maior número possível de ingredientes importantes do universo primitivo. Eles começam com um modelo bem-sucedido de formação de gala¡xias que seus grupos desenvolveram anteriormente, chamado Illustris-TNG , que demonstrou simular com precisão as propriedades e populações de gala¡xias em evolução. Eles então desenvolveram um novo ca³digo para incorporar como a luz de gala¡xias e estrelas interage e reioniza o gás circundante osum processo extremamente complexo que outras simulações não conseguiram reproduzir com precisão em larga escala.
“Thesan segue como a luz dessas primeiras gala¡xias interage com o gás ao longo dos primeiros bilhaµes de anos e transforma o universo de neutro em ionizadoâ€, diz Kannan. Dessa forma, acompanhamos automaticamente o processo de reionização a medida que ele se desenrola.â€
Finalmente, a equipe incluiu um modelo preliminar de poeira ca³smica osoutra característica exclusiva dessas simulações do universo primitivo. Este modelo inicial visa descrever como minaºsculos gra£os de material influenciam a formação de gala¡xias no universo inicial e esparso.
Ponte ca³smica
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 relaquia do Big Bang. Eles então evoluaram essas condições no tempo para simular um pedaço do universo, usando a ma¡quina SuperMUC-NG - um dos maiores supercomputadores do mundo - que simultaneamente aproveitou 60.000 núcleos de computação para realizar os ca¡lculos de Thesan em um equivalente a 30 milhões de CPU horas (um esfora§o que levaria 3.500 anos para ser executado em um aºnico desktop).
As simulações produziram a visão mais detalhada da reionização ca³smica, 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 resoluçãoâ€, enfatiza Vogelsberger.
As primeiras análises das simulações sugerem que, no final da reionização ca³smica, 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 inicio do universoâ€, diz Kannan. “Na verdade, essa distância émuito pequena e são se torna grande no final da reionização, aumentando por um fator de 10 em apenas algumas centenas de milhões de anos.â€
Os pesquisadores também veem dicas do tipo de gala¡xias responsa¡veis ​​por conduzir a reionização. A massa de uma gala¡xia parece influenciar a reionização, embora a equipe diga que mais observações, feitas por James Webb e outros observata³rios, ajudara£o a identificar essas gala¡xias predominantes.Â
“Existem muitas partes ma³veis na modelagem da reionização ca³smicaâ€, conclui Vogelsberger. “Quando podemos juntar tudo isso em algum tipo de maquina¡rio e comea§ar a executa¡-lo e isso produz um universo dina¢mico, isso épara todos nosum momento bastante gratificante.â€
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela NASA, a National Science Foundation e o Gauss Center for Supercomputing.