A história das primeiras estrelas e galáxias, de acordo com 20 anos de simulação do universo inicial

Você provavelmente conhece a teoria do Big Bang, o magnífico e explosivo nascimento do nosso universo. Mas o que aconteceu logo a seguir?

Cerca de 100 milhões de anos de escuridão.  Quando as primeiras estrelas se iluminaram, elas eram maiores e mais brilhantes do que as que se seguiram. Sua luz ultravioleta era tão intensa que transformava os átomos ao redor em íons.  De onde vieram essas estrelas? E como elas se tornaram as galáxias – o universo repleto de radiação e plasma – que vemos hoje? Essas são as nossas questões”, explicou o professor Michael Norman, diretor do San Diego Supercomputer Center e principal autor de um artigo publicado na revista científica Frontiers in Astronomy and Space Sciences.

Amanhecer Cósmico

O chamado “Amanhecer Cósmico” – que vai do surgimento da primeira estrela até a conclusão dessa “reionização cósmica” – durou cerca de um bilhão de anos. Pesquisadores como o professor Norman trabalham com equações matemáticas e simulações do universo para tentar compreender melhor este período. Ele e sua equipe passaram mais de 20 anos refinando um software para estudar o Amanhecer Cósmico.

A simulação

Os cientistas primeiro criaram um código que lhes permitiu modelar as primeiras estrelas do universo. Essas equações descrevem o movimento e as reações químicas dentro das nuvens de gás em um universo antes da luz, e a imensa força gravitacional de uma massa muito maior, mas invisível – a misteriosa matéria escura.

“Essas nuvens de hidrogênio puro e hélio desmoronaram sob a gravidade para incendiar estrelas únicas e massivas – centenas de vezes mais pesadas que nosso sol”, esclarece Norman.  Os primeiros elementos pesados se formaram nos núcleos de alta pressão das primeiras estrelas: apenas um pouquinho de lítio e berílio.  Com a morte de tais estrelas gigantes de vida curta, que entraram em colapso e explodiram em supernovas deslumbrantes, metais pesados como ferro foram finalmente criados em abundância e espalhados pelo espaço.

Oi, metais

Em um segundo momento da simulação, os pesquisadores adicionaram equações para modelar o enriquecimento de nuvens de gás com esses metais recém-formados, o que levou à formação de um novo tipo de estrela.

A formação de estrelas gigantes sem metal não parou totalmente – pequenas galáxias dessas estrelas deveriam existir em locais onde havia matéria escura suficiente para resfriar nuvens imaculadas de hidrogênio e hélio.

No entanto, sem uma enorme atração gravitacional, a intensa radiação das estrelas existentes aquece as nuvens de gás e rasga suas moléculas. Então, na maioria dos casos, o gás livre de metal colapsa inteiramente para formar um único buraco negro supermassivo.

Galáxias

“As novas gerações de estrelas que se formaram são menores e muito mais numerosas, por causa das reações químicas possíveis com os metais”, observa Norman. Neste estágio, já temos os primeiros objetos no universo que tpodem ser chamados de galáxias: uma combinação de matéria escura, gás enriquecido com metal e estrelas.

“As primeiras galáxias são menores do que o esperado porque a radiação intensa de estrelas jovens e massivas leva o gás denso para longe das regiões de formação de estrelas. Por sua vez, a radiação das menores galáxias contribuiu significativamente para a reionização cósmica”, sugere.

Essas galáxias são numerosas, mas difíceis de detectar. Elas poderiam nos informar a data exata do término do Amanhecer Cósmico – isto é, quando a reionização cósmica se completou. A transição foi rápida: em 30 milhões de anos, praticamente todas as novas estrelas foram enriquecidas com metais”, afirmou Norman.

Peças ainda fora do lugar

Outros grupos de pesquisa estão se envolvendo com a simulação, ajudando os cientistas a superarem limitações de computação, importando alguns de seus resultados ou simplificando partes de um modelo que são menos relevantes para os seus interesses de estudo. Esses métodos semi-analíticos já foram usados para determinar com mais precisão por quanto tempo as primeiras estrelas maciças e sem metal estavam sendo criadas, quantas ainda deveriam ser observadas, e a contribuição delas – bem como dos buracos negros e estrelas enriquecidas com metal – para a reionização cósmica”, explica Norman.

Os pesquisadores agora devem conduzir uma nova geração de simulações com códigos diferentes para elucidar pontos de incerteza.  Isso nos ajudará a entender o papel dos campos magnéticos, raios-X e poeira espacial no resfriamento de gás, e a identidade e comportamento da misteriosa matéria escura que impulsiona a formação de estrelas”, resume Norman.

Fonte: hypescience.com

[Phys]