Os supercomputadores estão reescrevendo a história dos aglomerados globulares

Uma equipe internacional de cientistas, incluindo pesquisadores da unidade de pesquisa Terre & Univers do CNRS, acaba de fazer um grande avanço na compreensão dos aglomerados globulares, estruturas estelares quase tão antigas quanto o Universo. Usando simulações computacionais, os cientistas reconstruíram a evolução completa desses aglomerados estelares, ajudando a elucidar sua origem misteriosa e suas propriedades no momento de seu nascimento. 

Imagem ESO/INAF-VST/OmegaCAM

Aglomerados globulares: laboratórios cósmicos únicos

Os aglomerados globulares são agrupamentos esféricos extremamente densos que podem conter até vários milhões de estrelas unidas pela gravidade. Formados durante os estágios iniciais do Universo, eles estão presentes na maioria das galáxias, incluindo a nossa.

A Via Láctea abriga aproximadamente 160 aglomerados globulares, considerados verdadeiros fósseis cósmicos que oferecem uma visão única das condições que prevaleceram há quase 13 bilhões de anos. Estudá-los permite aos astrofísicos compreender melhor a formação de galáxias e a evolução do Universo primitivo.

Apesar de sua importância, a dinâmica dos aglomerados globulares permaneceu pouco compreendida devido à sua extrema complexidade. Modelar sua evolução ao longo de 13 bilhões de anos exige considerar simultaneamente:

- as interações gravitacionais entre todas as estrelas;

- os efeitos gravitacionais de seu ambiente externo, como a galáxia hospedeira em que orbitam;

- e a evolução estelar desde o nascimento até a morte das estrelas. 

Essa complexidade, combinada com as limitações dos recursos computacionais disponíveis, tornou, até agora, a modelagem realista em escalas de tempo cósmicas praticamente impossível.

Uma inovação científica e tecnológica

Para enfrentar esse desafio, a equipe desenvolveu o ROLLIN ', uma série de 25 simulações de N-corpos utilizando o poder do supercomputador Jean-Zay (GENCI-IDRIS). Exigindo quase 350.000 horas de computação em GPU, essas simulações modelaram aglomerados contendo entre 250.000 e 1,5 milhão de estrelas ao longo de um período de até 13 bilhões de anos. Entre as mais ambiciosas já realizadas, elas revelam que os aglomerados globulares que observamos hoje são os sobreviventes de uma população inicial profundamente transformada pelos efeitos combinados da dinâmica gravitacional e da evolução estelar. 

Graças a essas simulações, os cientistas conseguiram rastrear a evolução dos aglomerados globulares desde sua formação: em seu nascimento, os aglomerados deviam ser muito mais concentrados (densos) do que o que observamos hoje, após 13 bilhões de anos. Além disso, o estudo indica que os aglomerados devem se formar com um alto nível de momento angular (rotação interna) para explicar a quantidade de momento angular observada atualmente. Essas duas informações impõem restrições às propriedades das nuvens de gás que deram origem aos aglomerados no início do Universo.

Uma introdução a questões fundamentais da astronomia.

O esforço computacional necessário para realizar essas simulações foi considerável: a simulação mais complexa levou aproximadamente 400 dias para ser concluída. Essa descoberta abre caminho para o estudo de outras questões fundamentais em astronomia, muito além da simples formação de aglomerados estelares.

Os aglomerados globulares são locais privilegiados para a formação de buracos negros, que se originam da morte de estrelas massivas. As intensas interações gravitacionais nesses ambientes extremamente densos podem levar à formação de sistemas binários de buracos negros, ou mesmo fusões — um mecanismo fundamental para explicar a origem dos buracos negros massivos observados no Universo.

Além disso, compreender como os aglomerados globulares perdem gradualmente suas estrelas é essencial para estudar sua dissolução dentro das galáxias e para reconstruir a própria história da formação das galáxias. Trabalhos futuros, baseados nessas simulações, nos permitirão explorar essas questões com maior profundidade.

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