Os investigadores estão a utilizar simulações computacionais excepcionalmente detalhadas para reconstruir um dos períodos mais transformadores da história cósmica: a era em que as primeiras estrelas e galáxias começaram a surgir.
O trabalho faz parte do projeto Megatron, liderado por pesquisadores da Universidade de Bath, no Reino Unido, e colaboradores da Universidade de Chicago, nos EUA, e do Institut d’Astrophysique de Paris, na França. O projeto foi concebido para explorar como as primeiras estrelas e galáxias iluminaram o universo anteriormente escuro e iniciaram a produção e disseminação de elementos químicos que mais tarde se tornaram elementos essenciais dos planetas, da vida e do mundo que nos rodeia.
Quatro estudos de Megatron, publicados em Revista Aberta de AstrofísicaCombine simulações cosmológicas avançadas com modelos detalhados de radiação, química e formação de galáxias. Juntos, eles representam a primeira grande coleção de resultados publicados da colaboração, com estudos adicionais esperados no futuro.
Vinculando o JWST a antigas pistas estelares
As descobertas mostram que os investigadores precisam de modelar com precisão as interações complexas entre a luz das estrelas, o gás e os elementos recém-formados, se quiserem ligar dois registos díspares do Universo primitivo.
Um deles vem de observações de galáxias jovens feitas pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST). A segunda vem de assinaturas químicas preservadas em algumas das estrelas mais antigas dentro e ao redor da Via Láctea – a galáxia que contém o nosso Sistema Solar.
O JWST permite que os astrônomos observem diretamente galáxias desde os estágios iniciais do universo. As estrelas antigas fornecem um tipo diferente de evidência, servindo como registos fósseis de eventos que ocorreram há milhares de milhões de anos. Ao examinar as impressões digitais químicas no interior destas estrelas antigas, os cientistas podem inferir como eram as primeiras estrelas e como começaram a enriquecer o Universo com os seus primeiros elementos químicos.
A simulação Megatron segue uma jovem galáxia à medida que ela evolui para se tornar um sistema comparável em massa à Via Láctea. Os modelos rastreiam simultaneamente como o gás se move, como a luz das estrelas viaja pelo espaço e como as concentrações de diferentes elementos químicos mudam ao longo do tempo.
Isto permite aos investigadores investigar como gerações de estrelas alteram o gás dentro e à volta das galáxias ao longo de milhares de milhões de anos de evolução.
Modelos simples podem perder física importante
Os resultados mostram que modelos menos detalhados podem subestimar a intensidade com que a radiação estelar e os processos químicos complexos afectam o gás que rodeia as galáxias.
Ao simular estes efeitos com uma resolução excepcionalmente alta, os investigadores conseguiram capturar estruturas no gás que poderiam passar despercebidas por métodos mais simples. Esses detalhes adicionais poderão ajudar os astrónomos a fazer previsões mais precisas para as observações recolhidas agora e para as observações planeadas no futuro.
Um vislumbre do universo bebê
Martin Ray, do Departamento de Física da Universidade de Bath e principal contribuidor da colaboração Megatron, disse: “O Telescópio Espacial James Webb dá-nos uma visão direta do universo infantil, enquanto a arqueologia estelar permite-nos estudar os vestígios daqueles primeiros tempos na nossa própria vizinhança galáctica. Megatron fornece uma ponte física entre os dois.”
A simulação começa com gás puro que não contém elementos pesados, reproduzindo as condições que existiam imediatamente após o Big Bang.
A partir daí, os modelos acompanham a formação das primeiras estrelas, a radiação libertada por essas estrelas, as explosões de supernovas que ocorrem no final das suas vidas e a propagação de elementos recém-formados nas gerações subsequentes de estrelas e galáxias.
A reconstrução deste processo poderia ajudar a responder a uma das questões mais fundamentais da astronomia: de onde vieram os elementos que constituem o universo moderno?
Dr Ray disse: “Os elementos que tornam o nosso mundo e a vida possíveis – carbono, oxigênio, ferro e muitos outros – foram criados pelas estrelas. Para entender de onde vieram esses elementos, precisamos entender como as primeiras estrelas se formaram e enriqueceram seus arredores. Megatron nos permite testar diretamente essas ideias, comparando observações do JWST e simulações detalhadas com as impressões digitais químicas preservadas em estrelas antigas.”
Rastreando a origem dos elementos cósmicos
À medida que o projeto avança, os pesquisadores planejam usar o Megatron para fazer conexões ainda mais fortes entre modelos teóricos e melhorar rapidamente as observações astronômicas.
O JWST continua a revelar novas informações sobre algumas das primeiras galáxias conhecidas, enquanto levantamentos estelares maiores produzem medições detalhadas de estrelas antigas dentro e ao redor da galáxia. A combinação destas duas fontes de evidência poderia dar aos cientistas uma imagem mais clara da primeira geração de estrelas.
Dr. Ray e seus colegas em Bath já estão trabalhando na próxima geração de simulações Megatron.
O projeto recebeu 40 milhões de horas de processador nos supercomputadores nacionais do Reino Unido. Essa quantidade de poder de computação equivale a operar cinco milhões de laptops ao mesmo tempo durante um ano inteiro.
Os recursos adicionais permitirão à equipe criar simulações com resolução ainda maior e modelos físicos mais completos. Os investigadores poderão então fazer comparações rápidas e diretas entre as suas simulações, as observações do JWST e o registo químico fóssil preservado em estrelas antigas.
“Megatron fornece uma estrutura física comum para interpretar dois dos novos conjuntos de dados mais interessantes da astronomia: a visão do JWST das primeiras galáxias e o registro fóssil estelar”, disse o Dr. “Juntas, estas observações complementares permitem-nos testar modelos concorrentes de estrelas de formas que não eram anteriormente possíveis.”
O projeto Megatron começou em 2023 e está programado para continuar até 2030.
