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 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 estãoprontas 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 atravanãs de três artigos, o terceiro publicado hoje no Monthly Notices of the Royal Astronomical Sociedade .

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 papel”, 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.”

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 ionizado”, diz Kannan. Dessa forma, acompanhamos automaticamente o processo de reionização a  medida que ele se desenrola.”

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.

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 resolução”, 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 universo”, 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.”

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. 

“Existem muitas partes ma³veis na modelagem da reionização ca³smica”, 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.”

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