À medida que os cientistas e engenheiros trabalham para fazer com que o James Webb Sapce Telescope da NASA seja uma realidade, eles mesmos se perguntam quais os novos mistérios que o maior telescópio baseado no espaço já construído poderá revelar? Com o Webb, os astrônomos poderão registrar exoplanetas orbitando estrelas distantes, e identificar as primeiras estrelas e galáxias do universo, coisas que nem mesmo o Hubble mostrou antes.
“Esse é um problema interessante”, disse Jonathan Gardner, projetista senior do Webb que trabalha no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Md. “como podemos comunicar as grandes promessas científicas do Webb quando nós nunca vimos o que ele com certeza irá nos mostrar”?
Para tentar ajudar nessa comunicação Donna Cox, que dirige o Advanced Visualiztion Laboratory (AVL) no National Center for Supercomputing Applications (NCSA) tomou essa missão como um projeto interessante na sua carreira. Localizado na University of Illinois em Urbana-Champaign, o NCSA possui enormes recursos computacionais que podem ser usados por pesquisadores para tentar simular os processos naturais que ocorrem tanto nas maiores como nas menores escalas conhecidas, desde a evolução de todo o universo até o movimento de moléculas de proteína na parede de células.
Cox e sua equipe do AVL desenvolveram ferramentas especializadas que podem transformar uma vasta coleção de uns e zeros de um modelo em uma incrível jornada da exploração. “Nós pegamos os dados atuais que os cientistas têm computados em suas pesquisas e traduzido para dentro de um estado da arte da experiência cinemática”, disse ela.
Munidos com uma tela 3D de ultra alta resolução e com um software especialmente desenvolvido a equipe do AVL coreografou complexos vôos em tempo real através de centenas de gigabytes de dados. Os resultados desse trabalho foram lançados em planetários, em cinemas IMAX e em documentários de TV. “Os teóricos são únicos cientistas que se aventuraram de certa forma onde o Webb planeja ir e eles fazem isso através de complexos modelos computacionais que usa o melhor entendimento da física que existe atualmente”, disse Cox. “Nosso desafio é fazer com que esses dados se tornem visualmente entendíveis e revelem logicamente sua beleza inerente”.
As novas visualizações refletem a grande variedade de temas científicos que os astrônomos precisam lidar com o Webb. Entre eles: Como as primeiras galáxias interagiram e se desenvolveram para criar o universo que se tem hoje em dia? Como as estrelas e os planetas se formam?
“Quando olhamos em grandes escalas, nós observamos galáxias empacotadas em aglomerados de galáxias que por sua vez se encontram empacotados em super aglomerados mas nós sabemos que o universo não começou dessa maneira”, disse Gardner. Estudos da radiação de microondas cósmica de fundo – a radiação remanescente da luz emitida quando o universo tinha apenas 380000 anos – mostra que nós observamos as estruturas aglomeradas cósmicas se desenvolverem muito tempo depois. Ainda assim as galáxias mais distante estudadas já tem mais de 500 milhões de anos de idade.
“O Webb poderá nos mostrar o que acontece nesse meio do caminho”, disse Gardner.
Cox e sua equipe de visualização AVL visualizou essa época de construção cósmica a partir de simulações desenvolvidas por Renyeu Cen e Jeremiah Ostriker na Princeton University em New Jersey. Ela começa quando o universo tinha 20 milhões de anos de vida e continua até os dias atuais, quando o universo se apresenta com uma idade estimada de 13.7 bilhões de anos.
Os membros da equipe AVL, Robert Patterson, Stuart Levy, Matthew Hall, Alex Betts e A.J. Christensen visualizaram como as estrelas, o gás, a matéria escura e as galáxias em colisão criaram aglomerados e super aglomerados de galáxias. Dirigidos pelo efeito gravitacional da matéria escura, essas estruturas conectam enormes filamentos que se estendem por distâncias realmente grandes, formando o que os astrônomos chamam de “cosmic web”.
“Nós trabalhamos com nove cientistas de cinco universidades diferentes para visualizar terabytes de dados computacionais com o objetivo de visualizar por meio de uma turnê visual desde a rede cósmica até as menores galáxias em colisão até o interior turbulento de nuvens onde as estrelas e discos formam sistema como o nosso”, disse Cox. “Essas representações visuais representam as teorias atuais que os cientistas esperam analisar novamente esses dados com a ajuda dos olhos do Webb”.
Mais perto de casa, o Webb irá espiar mais profundamente do que nunca as nuvens densas, frias e empoeiradas onde as estrelas e planetas estão nascendo. Usando dados de modelos criados por Aaron Boley da University of Florida em Gainesville e por Alexei Kritsuk e Michael Norman na University of California em San Diego, a equipe do AVL visualizou a evolução de discos protoplanetários por mais de dezenas de milhares de anos.
Densos aglomerados se desenvolvem longe das franjas desses discos, e se esses aglomerados sobreviverem eles poderão se tornar planetas gasosos gigantes ou objetos subestelares chamados de anãs marrons. A saída precisa depende da maquiagem detalhada desse disco. “Dr. Boley estava interessado em o que acontecia no disco e não incluía a estrela central”, disse Cox, “então para produzir uma visão realística nós trabalhamos com ele para adicionar uma estrela jovem”.
Isso é astrofísica com uma pitada de sensibilidade de Hollywood, trabalhando na fronteira entre a ciência e a arte. “Os estudos teóricos digitais que formam a base desse trabalho são tão avançados que a visualização cinemática é a maneira mais efetiva de compartilhá-la com o público”, disse Cox. “Isso é a arte de visualizar a ciência”.
“O que o AVL tem feito pelo projeto Webb é verdadeiramente espetacular e inspirador”, notou Gardner. “Isso realmente desperta nosso apetite pela ciência que nós faremos quando o telescópio começar a funcionar dentro de de alguns anos”.
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