Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade Harvard desenvolveram o Lumina, um programa computacional capaz de simular a evolução do Universo durante seus primeiros 2 bilhões de anos.

A ferramenta funciona como uma espécie de máquina do tempo cósmica virtual, permitindo que cientistas reconstruam, por meio de modelos matemáticos e simulações, etapas fundamentais da formação das primeiras estrelas e galáxias. O projeto representa um avanço na capacidade de investigar como o Universo passou de um estado inicial relativamente simples para a estrutura complexa observada atualmente.

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O Lumina permite explorar o Universo primordial com um nível de detalhamento superior ao de simulações anteriores. Segundo os pesquisadores, o modelo é aproximadamente 100 vezes maior em volume e apresenta uma resolução cerca de 30 vezes superior à dos modelos mais avançados que o precederam.

Essa combinação possibilita acompanhar fenômenos que ocorrem em escalas muito diferentes, desde a formação de estrelas individuais e galáxias até as transformações que afetaram vastas regiões do espaço.

Um dos principais objetivos da simulação é investigar como as primeiras fontes de luz surgiram após as chamadas eras escuras do Universo. Depois do Big Bang, ocorrido há aproximadamente 13,8 bilhões de anos, o Universo passou por um período em que ainda não existiam estrelas.

Embora houvesse matéria e radiação, a ausência dessas fontes estelares fazia com que grandes regiões do espaço permanecessem sem a iluminação característica das galáxias atuais. Com o resfriamento e a expansão do Universo, a matéria começou a se concentrar em determinadas regiões, favorecendo a formação das primeiras estrelas e, posteriormente, das primeiras galáxias.

Esses objetos primordiais emitiram radiação capaz de transformar o gás que preenchia o espaço. Um dos processos mais importantes dessa fase foi a reionização, durante a qual a radiação de alta energia das primeiras estrelas, galáxias e outras fontes ionizou grande parte do hidrogênio e do hélio presentes no meio intergaláctico.

A ionização ocorre quando um átomo perde um ou mais elétrons, deixando de permanecer eletricamente neutro. Esse processo alterou as propriedades do gás cósmico e influenciou a maneira como a luz se propagava pelo Universo. A reionização não aconteceu instantaneamente: foi um processo gradual, desenvolvido ao longo de centenas de milhões de anos.

O físico Mark Vogelsberger, professor do MIT e um dos autores do estudo, explicou que o Lumina reúne, em uma mesma simulação, fenômenos que vão da formação de estrelas e galáxias em pequena escala à reionização do hidrogênio e do hélio em grandes regiões do espaço.

Segundo ele, o volume simulado é 100 vezes maior que o das melhores simulações anteriores, permitindo investigar simultaneamente processos locais e transformações que envolveram porções muito extensas do Universo.

Para realizar os cálculos, a equipe utilizou o Frontier, um dos supercomputadores mais potentes do mundo. O sistema foi empregado com mais de 100 mil núcleos de processamento e aproximadamente 15 mil unidades de processamento gráfico, conhecidas pela sigla GPU.

Esses componentes trabalham em conjunto para executar enormes quantidades de operações matemáticas, necessárias para acompanhar a evolução da matéria e da radiação ao longo de períodos cosmológicos.

O Lumina acompanha aproximadamente 500 bilhões de elementos computacionais que representam componentes do Universo, incluindo gás, matéria escura e luz. Esses elementos não correspondem necessariamente a partículas individuais reais, mas a unidades utilizadas pelo modelo para representar a distribuição e a evolução dos componentes cósmicos.

A matéria escura, por exemplo, não emite nem reflete luz de maneira detectável pelos métodos convencionais, mas sua influência gravitacional é fundamental para compreender como a matéria se agrupou e formou estruturas. Ao representar esses diferentes componentes, a simulação permite estudar como a gravidade, o movimento dos gases e a radiação interagem durante a formação das primeiras estruturas cósmicas.

A capacidade computacional do sistema também permite alternar entre diferentes escalas de observação. Os pesquisadores podem examinar regiões enormes do espaço para compreender a distribuição de matéria e a formação de grandes estruturas ou ampliar áreas menores para investigar o desenvolvimento de uma galáxia em particular.

Essa possibilidade é importante porque os fenômenos cosmológicos estão interligados: a formação de estrelas em uma galáxia pode afetar o gás ao seu redor, enquanto as condições gerais do Universo influenciam a quantidade de matéria disponível para formar novos objetos.

Apesar de sua capacidade de reconstrução, o Lumina não é uma gravação direta do passado cósmico nem uma máquina do tempo física. Trata-se de uma simulação baseada em leis físicas, modelos matemáticos e condições iniciais estimadas a partir do conhecimento científico.

Seus resultados dependem da precisão dessas hipóteses, dos métodos computacionais empregados e da maneira como processos complexos, como a formação estelar e a interação entre radiação e gás, são representados. Por isso, as imagens produzidas devem ser entendidas como representações científicas de cenários possíveis e testáveis, e não como fotografias reais do Universo em seus primeiros bilhões de anos.

A equipe disponibilizou a simulação para astrônomos de diferentes partes do mundo, permitindo que outros pesquisadores utilizem seus resultados para investigar a evolução das primeiras galáxias e das estruturas cósmicas.

Uma das principais etapas seguintes será comparar as previsões do Lumina com observações obtidas por telescópios espaciais modernos, capazes de detectar a luz de galáxias extremamente distantes. Como a luz leva tempo para viajar pelo espaço, observar objetos muito distantes também significa observar o Universo como ele era no passado.

O telescópio espacial James Webb, por exemplo, permite estudar galáxias formadas nas primeiras centenas de milhões de anos após o Big Bang. Ao confrontar essas observações com as estruturas previstas pelo Lumina, os cientistas poderão avaliar se os modelos reproduzem adequadamente o ritmo de formação das primeiras galáxias, a quantidade de estrelas produzidas e a evolução do gás que preenchia o espaço.

Diferenças entre as previsões e os dados observacionais podem revelar limitações dos modelos atuais ou indicar que determinados processos físicos ainda não são plenamente compreendidos.

A comparação também poderá contribuir para esclarecer como a matéria escura influenciou a formação das primeiras estruturas, quais condições favoreceram o nascimento das primeiras estrelas e quais fontes de radiação foram mais importantes para a reionização do Universo.

Essas questões estão entre os principais desafios da cosmologia contemporânea, pois envolvem uma fase da história cósmica que não pode ser observada diretamente em todos os seus detalhes.

Com o Lumina, os pesquisadores esperam aproximar as simulações teóricas das observações astronômicas e compreender melhor como as primeiras estrelas e galáxias transformaram o Universo primordial.

O avanço não elimina as incertezas sobre o passado cósmico, mas oferece uma ferramenta mais abrangente para testar hipóteses, identificar discrepâncias e investigar os processos que deram origem às estruturas observadas bilhões de anos depois.

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