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Ricostruire i primi 2 miliardi di anni dell’universo dentro un computer non è più soltanto un esercizio teorico. Un gruppo di ricercatori del Center for Astrophysics di Harvard e Smithsonian ha messo a punto Lumina, una delle simulazioni più grandi e dettagliate mai realizzate sull’universo primordiale. Il modello mostra come materia oscura, gas e radiazione abbiano interagito dopo il Big Bang fino a far nascere le prime stelle, le prime galassie e i primi buchi neri.
Lo scopo è molto concreto: aiutare gli astronomi a interpretare ciò che osservano strumenti potentissimi come il telescopio spaziale James Webb (JWST) e il Nancy Roman Space Telescope. Lo studio, pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, modella le interazioni tra materia ordinaria, materia oscura e radiazione. Confrontando le previsioni del modello con i dati raccolti dai telescopi, gli scienziati possono capire quanto reggano le teorie attuali sull’evoluzione cosmica e individuare eventuali scoperte capaci di mettere in discussione le leggi fondamentali del cosmo.
Il meccanismo, in fondo, è piuttosto lineare. Per secoli l’astronomia ha elaborato spiegazioni sulla formazione delle strutture cosmiche e oggi i supercomputer permettono di trasformare quelle idee in previsioni dettagliate su come dovrebbe comportarsi l’universo. Quando le osservazioni coincidono, la fiducia nelle teorie cresce. Quando invece emergono differenze inattese, potrebbero nascondersi processi fisici non ancora compresi fino in fondo.
“Con JWST l’universo primordiale è diventato una nuova ed entusiasmante frontiera dell’astrofisica” ha spiegato Oliver Zier, autore principale dello studio e ITC Fellow al Center for Astrophysics. “Per capire cosa vediamo con questo telescopio dobbiamo tradurre le nostre teorie in previsioni dettagliate. Dopo diversi anni di lavoro, con parecchi alti e bassi, è incredibilmente gratificante vedere i risultati della simulazione e osservare le nostre previsioni prendere vita in video.”
Un cubo di universo largo 1,5 miliardi di anni luce
Lumina è la più grande simulazione cosmologica di idrodinamica radiativa mai prodotta. Tradotto in parole semplici, calcola come gas, materia oscura e luce si siano influenzati a vicenda mentre il giovane universo prendeva forma. Seguendo queste interazioni lungo i primi 2 miliardi di anni dopo il Big Bang, i ricercatori possono studiare la nascita delle galassie più antiche e il modo in cui la loro attività ha modificato le immense nubi di gas che le circondavano.
Il volume di spazio riprodotto è oltre 100 volte più grande rispetto a progetti simili del passato. L’universo virtuale occupa un cubo di circa 1,5 miliardi di anni luce per lato, una scala paragonabile alle vaste regioni che i telescopi più avanzati riescono oggi a esplorare.
C’è poi la questione della reionizzazione dell’elio, il processo in cui la radiazione strappa gli elettroni agli atomi di elio. Per la prima volta una simulazione di questo tipo segue la trasformazione mentre avviene e, nello stesso momento, ne calcola gli effetti sull’ambiente circostante. Così diventa possibile indagare il legame tra galassie in evoluzione, radiazione e gas che riempie lo spazio tra una galassia e l’altra.
“Ci sentiamo incredibilmente fortunati a costruire simulazioni come Lumina” ha commentato Aaron Smith, professore assistente di fisica alla University of Texas at Dallas e coautore della ricerca. “Per la prima volta possiamo seguire il passaggio di idrogeno ed elio alla loro forma moderna su un volume di universo così enorme, continuando a distinguere le galassie e gli altri oggetti luminosi che guidano questa trasformazione.”
Oltre 15.000 processori grafici al lavoro su Frontier
Un’impresa del genere ha richiesto una potenza di calcolo fuori scala. Il team ha usato più di 15.000 processori grafici su Frontier, uno dei supercomputer più veloci al mondo, ospitato all’Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Grazie a queste risorse è stato possibile simulare una regione enorme senza rinunciare alla precisione necessaria per analizzare singole galassie e altre strutture importanti. Lumina riesce quindi a cogliere l’evoluzione generale del cosmo e allo stesso tempo a seguire i processi legati alla formazione di stelle, galassie e buchi neri.
Il modello diventerà ora una base per nuove indagini sull’universo primordiale. I ricercatori intendono usarlo per esplorare il movimento del gas tra le galassie, l’influenza della radiazione rimasta dal Big Bang e la comparsa di regioni in cui le stelle si formavano a ritmi particolarmente elevati. Mettendo queste previsioni accanto ai dati di James Webb, del Nancy Roman e di altri strumenti, gli scienziati sperano di ricostruire un quadro più completo dei primi capitoli della storia cosmica. Eventuali discrepanze tra l’universo simulato e quello reale potrebbero offrire indizi preziosi su dove le teorie attuali vadano affinate o ripensate.
Fonte: TecnoAndroid