Como uma única estrela pode remodelar uma galáxia inteira.

Os astrônomos que simulam galáxias nem sempre obtêm o mesmo resultado, mesmo partindo de condições idênticas. Uma nova pesquisa da Universidade de Leiden mostra que isso não é uma falha, mas sim uma consequência do comportamento das galáxias — e de como elas são modeladas.

Duas simulações quase idênticas de uma galáxia. O ponto laranja e o ponto vermelho representam a mesma estrela em duas simulações que diferem minimamente entre si. Essa pequena diferença cresce ao longo do tempo, resultando em uma posição claramente divergente. Crédito: UL/Portegies Zwart/Asano. 

As descobertas oferecem, pela primeira vez, uma maneira de abordar uma questão antiga: quão caótica é realmente uma galáxia como a Via Láctea? As simulações computacionais de Tetsuro Asano e Simon Portegies Zwart (Observatório de Leiden) serão publicadas em breve na revista Astronomy & Astrophysics e já estão disponíveis no servidor de pré-publicações arXiv .

Os pesquisadores criaram centenas de modelos de galáxias semelhantes à Via Láctea: discos planos de estrelas, imersos em uma grande nuvem invisível de matéria escura que mantém o sistema unido. Em cada experimento, eles executaram duas simulações quase idênticas, diferindo apenas por um pequeno detalhe — por exemplo, uma pequena mudança na posição de uma única estrela. Com o tempo, essa pequena diferença se transforma em mudanças estruturais visíveis: os braços espirais se desenvolvem de maneira diferente e a barra central gira em outra direção.

Pequenas causas, grandes efeitos

Isso se assemelha ao conhecido efeito borboleta, onde pequenas causas podem levar a grandes consequências. Em astronomia, essa ideia entra em conflito com a visão tradicional. Uma galáxia contém centenas de bilhões de estrelas, então costuma-se assumir que ela se comporta como um sistema homogêneo no qual pequenas perturbações se anulam. Este estudo mostra que o oposto é verdadeiro: pequenas perturbações podem se transformar em diferenças perceptíveis.

"É bastante notável que a Via Láctea, com tantas estrelas que se esperaria que se comportasse de forma tranquila, ainda se mostre tão caótica", diz Portegies Zwart.

Essa tensão levou a resultados conflitantes em pesquisas anteriores. Algumas simulações sugeriram que as galáxias se tornam mais caóticas à medida que mais estrelas são incluídas, enquanto outras constataram o contrário. O novo trabalho de Asano e Portegies Zwart explica a origem dessa diferença.

Em muitas simulações, a gravidade a distâncias muito pequenas é "suavizada" para manter os cálculos estáveis ​​e controláveis. Como resultado, as estrelas são tratadas como pequenas nuvens em vez de pontos precisos, e as interações fortes e próximas que geram o caos são efetivamente atenuadas. Ao variar sistematicamente o grau dessa "suavização", os pesquisadores mostram quando uma simulação reflete com precisão uma galáxia real e quando não.

Uma Via Láctea imprevisível

Isso nos leva a uma importante constatação prática: nem todas as simulações são igualmente confiáveis ​​quando se trata de compreender os detalhes de uma galáxia. Algumas características sempre aparecem, como a formação de uma "barra" central de estrelas, que surge aproximadamente ao mesmo tempo em todas as simulações. Outras propriedades — como a forma exata dessa barra ou a estrutura dos braços espirais — acabam dependendo fortemente de pequenas diferenças.

"Na verdade, a Via Láctea torna-se imprevisível depois de cerca de um milhão de anos", diz Portegies Zwart.

Isso é extremamente curto em comparação com a idade da Via Láctea (cerca de dez bilhões de anos) — aproximadamente o equivalente a um único segundo na vida de um ser humano.

Um paradoxo resolvido

Ao mesmo tempo, o estudo mostra que essas pequenas diferenças não continuam crescendo indefinidamente; o efeito borboleta tem seus limites. Duas simulações podem acabar parecendo diferentes — com braços espirais diferentes ou uma barra com orientação diferente — mas ambas ainda permanecem reconhecíveis como galáxias espirais.

"Isso resolve o paradoxo de que as galáxias podem se comportar de forma suave e caótica ao mesmo tempo", diz Portegies Zwart. "Agora quantificamos como as escolhas em uma simulação determinam o quanto desse caos é observado. Isso não só explica como uma única estrela pode remodelar uma galáxia inteira, mas também como podemos modelar isso de forma confiável."

Phys.org