Mostra o desenvolvimento do cosmos nos primeiros 2.000 milhões de anos após o Big Bang, com todo o detalhe e abandonando uma vasta área do espaço
Quando o Universo teve apenas 45 milhões de anos, ainda não havia estrelas que o iluminassem. O cosmos estava dominado pelo hidrogênio neutro, que impedia a luz de viajar livremente. A simulação Lumina calculou como a matéria escura, o gás, as estrelas e a radiação mudaram durante os primeiros 2.200 milhões de anos. O trabalho, publicado na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, é obra de pesquisador do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), da Universidade de Harvard e de outras instituições.
Uma ampla região do céu
A principal novidade é sua escala: Lumina modela uma região cúbica de uns 1.600 milhões de anos de luz, com cerca de 432.000 milhões de elementos de resolução. Reproduz o vermelho cósmico, ou o mar dos filamentos onde se concentra a matéria, e processos mais pequenos, como a formação de galáxias individuais. Embora o equipamento seja detalhado em uma nota de imprensa, seu volume é mais de cinco vezes maior que as simulações comparáveis anteriores, sem renunciar a um alto nível de detalhe.
Para conseguir isso, os cientistas combinarão o modelo de formação galáctica IllustrisTNG com cálculos de hidrodinâmica e transporte de radiação. O programa calcula como a gravidade agrupa a matéria e como o gás cai em halos de matéria escura, mas também segue o percurso das fotos e sua interação com o ambiente. Deste modo, conecte escalas que suelen estudam por separado: desde a estrutura de uma região gigantesca até o nascimento das estrelas, cuja radiação altera o gás circundante.
Processos iniciais do cosmos
O Lumina concentra-se em duas grandes transições: a reionização do hidrogênio e a do hélio. Cerca de 380.000 anos após o Big Bang, o Universo havia esfriado o suficiente para que os elétrons se unissem aos núcleos e formassem átomos neutros. Durante as “idades das trevas”, esse gás absorvia a radiação. Mais tarde, a luz ultravioleta das primeiras estrelas e galáxias começou a “arrancar” elétrons do hidrogênio, criando bolhas ionizadas que cresceram até permitir que a luz viajasse livremente.
Os resultados indicam que as primeiras galáxias e suas estrelas foram a principal fonte da reionização do hidrogênio. A do hélio, que exige fótons mais energéticos, teria dependido, sobretudo, de núcleos galácticos ativos: regiões muito brilhantes alimentadas por matéria que cai em direção a buracos negros supermassivos. Esta é a primeira simulação que representa, de forma conjunta, ambos os processos em um volume tão grande, permitindo estudar como as fontes de radiação e o gás intergaláctico influenciam um ao outro.
Vídeo: a simulação cósmica acompanha a formação das primeiras galáxias, estrelas e estruturas do Universo e mostra como a radiação transformou o cosmos após o Big Bang. Crédito: Colaboração Lumina.
Ampla capacidade computacional
O cálculo exigiu recursos extraordinários: o Lumina foi executado no Frontier, o supercomputador do Laboratório Nacional de Oak Ridge, nos Estados Unidos, com mais de 100.000 núcleos de CPU e milhares de aceleradores gráficos. A máquina teve de analisar as interações de centenas de bilhões de elementos ao longo de bilhões de anos simulados — um desafio tanto físico quanto computacional.
No entanto, o Lumina não é uma “gravação” do passado, mas sim uma previsão teórica baseada em leis físicas, modelos e aproximações numéricas. Seus resultados deverão ser confrontados com observações do telescópio espacial James Webb e com futuros estudos do céu.
Referência
Introducing the Lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization. Oliver Zier et al. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2026). DOI:https://doi.org/10.1093/mnras/stag1469