A Teia Cósmica

É a estrutura em larga escala do Universo Observável. Na simulação acima, cada nó brilhante é uma galáxia inteira, enquanto que os filamentos roxos exibem material entre elas. Ao olhar humano, apenas as galáxias seriam visíveis.

Na verdade, vários nós constituem grandes aglomerados de galáxias, intercalados por rápidos vazios. Os cosmólogos desenvolveram uma compreensão bem consistente de como surgiu esta estrutura.

Em linhas gerais, o que ocorreu foi o seguinte: após o Big Bang, um período inicial de rápida expansão criou flutuações* muito pequenas (da ordem de 1 em 100.000), que posteriormente evoluíram sob sua própria gravidade, à medida que o Universo se expandia.

No entanto, neste quadro ainda há questões em aberto, no que diz respeito à composição da teia cósmica:

• Qual é a natureza da energia escura, responsável pela expansão acelerada do Universo?
• Qual é a natureza da matéria escura, cuja presença se faz necessária para que ocorra a dinâmica gravitacional que se observa?
• Qual é o mecanismo físico que impulsiona a inflação?

Para se aprofundar nesses temas, recomendamos a leitura de nossa série de artigos sobre a Teoria do Big Bang.

A teia cósmica é feita de nós, filamentos (os "fios" que formam a teia), paredes e vastos vazios, intrinsecamente entrelaçados. A matéria escura e os gases, influenciados pela força da gravidade, esculpem esta arquitetura, com as galáxias servindo como marcadores que traçam suas características.

Desde a sua descoberta, na década de 1980, a teia cósmica foi meticulosamente mapeada por numerosos levantamentos de galáxias, cada um fornecendo informações únicas sobre a estrutura do Cosmos.

Todavia, embora os densos aglomerados de galáxias (os nós) tenham sido exaustivamente estudados, os filamentos cósmicos, menos densos e mais intrincados, permanecem menos compreendidos.

Seus sinais fracos dificultam a observação. A densidade da matéria escura nesses filamentos é significativamente mais baixa do que nos aglomerados, complicando sua detecção em levantamentos de galáxias.

Apesar desses desafios, as simulações cosmológicas sugerem que os filamentos contêm mais de 50% da matéria do Universo. Compreendê-los, portanto, é essencial para uma visão mais abrangente do Cosmos e para o entendimento de como as galáxias se formam e evoluem dentro da grande rede interligada.

Um estudo conduzido pela pesquisadora Daniela Galárraga-Espinosa, do MPA (Max Planck Institute for Astrophysics), em colaboração com colegas locais e internacionais, utilizou a ferramenta de simulação numérica de última geração MillenniumTNG para aprofundar a intrincada estrutura da teia cósmica em diferentes épocas.

O artigo científico foi publicado em 03/04/2024 pela EDP sciences, com o título Evolution of cosmic filaments in the MTNG simulation, e foi tema de matéria do MPA, publicada em 01/06/2024 (link no final deste texto).

As execuções hidrodinâmicas em vários níveis de desvio para o vermelho (z = 0, 1, 2, 3 e 4) levaram a catálogos meticulosamente construídos de filamentos cósmicos.

Esta espinha dorsal da teia cósmica pôde, então, ser estudada em termos de evolução espacial ao longo do tempo, com aferição de comprimentos, taxas de crescimento e perfis de densidade radial, obtendo-se insights sem precedentes sobre a evolução dos filamentos e sua diversidade:

1. Revelando as propriedades globais do filamento ao longo do tempo:: o estudo mostrou que os comprimentos dos filamentos e os perfis de densidade em diferentes épocas cósmicas são notavelmente estáveis. A população global de filamentos teve uma evolução mínima ao longo de aproximadamente 12,25 bilhões de anos.

2. Rastreamento de filamentos individuais: o estudo associou, pela primeira vez, um grande número de filamentos em diferentes níveis de desvio para o vermelho (redshift), acompanhando a evolução de estruturas individuais ao longo do tempo. Embora alguns filamentos possam contrair-se ou alongar-se significativamente, as propriedades globais são preservadas. A equipe pesquisadora planeja, por isso, usar propriedades fundamentais dos filamentos para análises cosmológicas, em um próximo estudo.

3. Compreendendo a diversidade de filamentos: o estudo também destaca as diferenças entre as populações de filamentos em um momento específico. Em todos os redshifts, os mais longos excedem 100 megaparsecs, duas ordens de magnitude mais longos que os mais curtos. Além disso, esses filamentos de comprimento extremo possuem perfis de densidade muito distintos. Complementando pesquisas anteriores, o estudo indica que fatores ambientais podem impulsionar esta diversidade: os filamentos em regiões de alta densidade colapsam e encurtam com o tempo, enquanto que aqueles próximos aos vazios cósmicos se expandem à medida que a teia cósmica se estende.

4. Rumo a catálogos mais robustos de filamentos: a equipe desenvolveu um método ancorado em princípios físicos para permitir calibração e testes rigorosos dos esqueletos cósmicos identificados. Espera-se que esta metodologia inspire investigações futuras a adotarem abordagens robustas semelhantes, promovendo uma compreensão mais unificada das técnicas de detecção de filamentos cósmicos no âmbito da comunidade científica.

Estas descobertas representam grandes avanços em nossa compreensão da estrutura em grande escala do Universo e abrem novos caminhos para a exploração das complexidades da teia cósmica.