Como galáxias como a nossa Via Láctea passam a existir? Como eles crescem e mudam com o tempo? A ciência por trás da formação de galáxias permaneceu um enigma por décadas, mas uma equipe de cientistas liderada pela Universidade do Arizona está um passo mais perto de encontrar respostas graças às simulações de supercomputadores.

Observar galáxias reais no espaço só pode fornecer instantâneos no tempo, portanto, os pesquisadores que desejam estudar como as galáxias evoluem ao longo de bilhões de anos têm que reverter para as simulações de computador. Tradicionalmente, astrônomos usaram essa abordagem para inventar e testar novas teorias de formação de galáxias, um por um. Peter Behroozi, professor assistente no UA Steward Observatory, e sua equipe superou esse obstáculo gerando milhões de universos diferentes em um supercomputador, cada um dos quais obedecia a diferentes teorias físicas de como as galáxias deveriam se formar.

As evidências, publicado no Avisos mensais da Royal Astronomical Society , desafiar ideias fundamentais sobre o papel que a matéria escura desempenha na formação de galáxias, como as galáxias evoluem com o tempo e como dão origem às estrelas.

"No computador, podemos criar muitos universos diferentes e compará-los com o atual, e isso nos permite inferir quais regras levam ao que vemos, "disse Behroozi, o principal autor do estudo.

O estudo é o primeiro a criar universos autoconsistentes que são réplicas exatas do real:simulações de computador em que cada uma representa um pedaço considerável do cosmos real, contendo 12 milhões de galáxias e abrangendo o tempo de 400 milhões de anos após o Big Bang até os dias atuais.

Cada universo "Ex-Machina" foi submetido a uma série de testes para avaliar como galáxias semelhantes apareciam no universo gerado em comparação com o universo verdadeiro. Os universos mais semelhantes ao nosso, todos tinham regras físicas subjacentes semelhantes, demonstrando uma nova abordagem poderosa para estudar a formação de galáxias.

Os resultados da "UniverseMachine, "como os autores chamam sua abordagem, ajudaram a resolver o paradoxo de longa data de por que as galáxias param de formar novas estrelas mesmo quando retêm muito gás hidrogênio, a matéria-prima a partir da qual as estrelas são forjadas.

Ideias comumente sustentadas sobre como as galáxias formam estrelas envolvem uma interação complexa entre o colapso do gás frio sob o efeito da gravidade em bolsões densos dando origem às estrelas, enquanto outros processos neutralizam a formação de estrelas.

Por exemplo, acredita-se que a maioria das galáxias abriga buracos negros supermassivos em seus centros. A matéria que cai nesses buracos negros irradia energias tremendas, atuando como maçaricos cósmicos que evitam que o gás resfrie o suficiente para entrar em colapso em viveiros estelares. De forma similar, estrelas que terminam suas vidas em explosões de supernovas contribuem para esse processo. Matéria escura, também, desempenha um grande papel, uma vez que fornece a maior parte da força gravitacional que atua sobre a matéria visível em uma galáxia, puxando gás frio dos arredores da galáxia e aquecendo-o no processo.

"À medida que voltamos cada vez mais cedo no universo, esperaríamos que a matéria escura fosse mais densa, e, portanto, o gás ficará cada vez mais quente. Isso é ruim para a formação de estrelas, então pensamos que muitas galáxias no universo primitivo deveriam ter parado de formar estrelas há muito tempo, "Disse Behroozi." Mas descobrimos o oposto:galáxias de um determinado tamanho tinham maior probabilidade de formar estrelas em uma taxa mais alta, contrário à expectativa. "

A fim de coincidir com as observações de galáxias reais, Behroozi explicou, sua equipe teve que criar universos virtuais nos quais ocorria o oposto - universos nos quais as galáxias continuavam produzindo estrelas por muito mais tempo.

Se, por outro lado, os pesquisadores criaram universos com base nas teorias atuais de formação de galáxias - universos nos quais as galáxias pararam de formar estrelas no início - essas galáxias pareciam muito mais vermelhas do que as galáxias que vemos no céu.

Galáxias aparecem vermelhas por dois motivos. O primeiro é aparente na natureza e tem a ver com a idade de uma galáxia - se se formou no início da história do universo, estará se afastando mais rápido, mudando a luz para o espectro vermelho. Os astrônomos chamam esse efeito de redshift. A outra razão é intrínseca:- se uma galáxia parou de formar estrelas, conterá menos estrelas azuis, que normalmente morrem mais cedo, e ficar com os mais velhos, estrelas mais vermelhas.

"Mas não vemos isso, "Disse Behroozi." Se as galáxias se comportaram como pensávamos e pararam de formar estrelas antes, nosso universo real teria uma cor totalmente errada. Em outras palavras, somos forçados a concluir que as galáxias formaram estrelas com mais eficiência nos primeiros tempos do que pensávamos. E o que isso nos diz é que a energia criada por buracos negros supermassivos e estrelas em explosão é menos eficiente em sufocar a formação de estrelas do que nossas teorias previam. "

De acordo com Behroozi, a criação de universos simulados de complexidade sem precedentes exigia uma abordagem inteiramente nova que não era limitada pelo poder de computação e memória, e forneceu resolução suficiente para abranger as escalas desde os "pequenos" - objetos individuais, como supernovas - a um pedaço considerável do universo observável.

"Simular uma única galáxia requer 10 a 48 operações de computação, "ele explicou." Todos os computadores na Terra combinados não poderiam fazer isso em cem anos. Então, para simular uma única galáxia, quanto mais 12 milhões, tínhamos que fazer isso de forma diferente. "

Além de utilizar recursos de computação no Centro de Pesquisa Ames da NASA e no Leibniz-Rechenzentrum em Garching, Alemanha, a equipe usou o supercomputador "Ocelote" no cluster UA High Performance Computing. Dois mil processadores processaram os dados simultaneamente ao longo de três semanas. Ao longo do projeto de pesquisa, Behroozi e seus colegas geraram mais de 8 milhões de universos.

"Pegamos os últimos 20 anos de observações astronômicas e as comparamos aos milhões de universos simulados que geramos, "Behroozi explicou." Reunimos milhares de informações para ver quais correspondiam. O universo que criamos parecia certo? Se não, voltaríamos e fazer modificações, e verifique novamente. "

Para entender melhor como as galáxias surgiram, Behroozi e seus colegas planejam expandir a UniverseMachine para incluir a morfologia de galáxias individuais e como suas formas evoluem ao longo do tempo.