L’EPOCA DELLA REIONIZZAZIONE CON UN DETTAGLIO SENZA PRECEDENTI

Thesan, la migliore simulazione dell’alba cosmica

Grazie a Thesan, un’avanzata simulazione cosmologica, un team internazionale di scienziati ha simulato l'universo primordiale, quando le prime stelle hanno iniziato a brillare. Combinando i modelli per la formazione delle galassie e l'interazione della luce stellare con il gas e la polvere cosmica, la simulazione ha prodotto la visione più dettagliata della reionizzazione cosmica, nel volume di spazio più grande di sempre. Tutti i dettagli su Mnras

     25/03/2022
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Estratto del rendering del gas di idrogeno neutro il cui colore rappresenta la densità e la luminosità, rivelando regioni con radiazioni ionizzanti significative. Crediti: Thesan collaboration

Sembrano lucciole in una notte di giugno, tremolanti nell’oscurità. Lentamente, si ammassano sempre di più, illuminando lo schermo buio. Ma questo non è un video sugli insetti: è una simulazione dell’universo primordiale, di un’epoca successiva al Big Bang in cui il cosmo si è trasformato da un luogo di totale oscurità a un ambiente pieno di luce.

Lo straordinario video di cui stiamo parlando rientra in una simulazione descritta in tre articoli pubblicati su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, denominata Thesan e creata dai ricercatori del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, del Massachusetts Institute of Technology e del Max Planck Institute for Astrophysics. Ispirandosi nel nome alla dea etrusca dell’alba, Thesan è progettata per simulare l’alba cosmica, e in particolare la reionizzazione, il periodo in cui il gas primordiale, di cui era pervaso l’universo nelle prime fasi della sua evoluzione, è passato dallo stato neutro a quello ionizzato.

Il periodo simulato – l’epoca della reionizzazione, appunto – ha avuto luogo circa 13 miliardi di anni fa ed è stato difficile da ricostruire, poiché comporta interazioni caotiche incredibilmente complicate, comprese quelle tra gravità, gas e radiazioni. «La maggior parte degli astronomi non dispone di laboratori in cui condurre esperimenti. Le scale dello spazio e del tempo sono troppo grandi, quindi l’unico modo in cui possiamo fare esperimenti è sui computer», spiega Rahul Kannan, astrofisico del Center for Astrophysics e primo autore del primo articolo della serie. «Siamo in grado di prendere equazioni fisiche fondamentali e modelli teorici per simulare ciò che è accaduto nell’universo primordiale».

Le simulazioni del team risolvono le interazioni nell’universo primordiale con il migliore dettaglio di sempre e un volume più grande di qualsiasi simulazione precedente. La fisica nell’universo primordiale viene catturata su scale che sono un milione di volte più piccole delle regioni simulate, fornendo particolari senza precedenti sulle proprietà delle prime galassie e sull’impatto della luce di queste galassie sul gas.

Immagine composita della simulazione principale di Thesan, che mostra sei diverse proprietà simulate dell’universo in una fetta di una regione della simulazione. I due riquadri circolari mostrano come Thesan sia in grado di prevedere come grandi telescopi come Alma e Jwst vedranno le prime galassie. Crediti: Mpa

Il team è riuscito a raggiungere questa incredibile risoluzione combinando un modello realistico di formazione delle galassie con un nuovo algoritmo che tiene traccia del modo in cui la luce interagisce con il gas, insieme a un modello per la polvere cosmica.

Con Thesan, i ricercatori hanno simulato un pezzo di universo che si estende per oltre 300 milioni di anni luce, e possono mandare avanti nel tempo la simulazione per tracciare e visualizzare la prima apparizione e l’evoluzione di centinaia di migliaia di galassie all’interno di questo spazio, a partire da circa 400mila anni dopo il Big Bang e attraverso il primo miliardo di anni. Finora, le simulazioni sono in linea con le poche osservazioni che gli astronomi hanno dell’universo primordiale.

Per simulare la reionizzazione cosmica, il team ha cercato di includere il maggior numero possibile di ingredienti principali dell’universo primordiale. Hanno iniziato con un modello di formazione di galassie di successo che i loro gruppi avevano sviluppato in precedenza, chiamato Illustris-Tng. Hanno quindi sviluppato un nuovo codice per incorporare il modo in cui la luce delle galassie e delle stelle interagisce e reionizza il gas circostante. «Thesan segue come la luce di queste prime galassie interagisce con il gas nel corso dei primi miliardi di anni e trasforma l’universo da neutro a ionizzato», continua Kannan. «In questo modo, seguiamo automaticamente il processo di reionizzazione mentre si svolge». Infine, il team ha incluso nella simulazione un modello di polvere cosmica, creando un’immagine di precisione unica dell’universo primordiale. Questo modello mira a descrivere come minuscoli granelli di materiale influenzino la formazione di galassie nell’universo primordiale.

Le simulazioni sono state prodotte utilizzando uno dei più grandi supercomputer del mondo, il SuperMuc-Ng a Lrz, in Germania. Qui, 60mila core di elaborazione hanno eseguito simultaneamente i calcoli di Thesan per un equivalente di 30 milioni di ore di Cpu (uno sforzo che avrebbe richiesto 5700 anni per essere eseguito su un singolo desktop). Ciò che hanno trovato è proprio un graduale cambiamento nell’universo, dalla completa oscurità alla luce.

Le simulazioni sono state create in preparazione alle osservazioni del James Webb Space Telescope (Jwst), che sarà in grado di osservare più indietro nel tempo –  circa 13,5 miliardi di anni – rispetto a predecessori come il telescopio spaziale Hubble. «Molti dei telescopi che stanno per entrare in funzione, come il Jwst, sono progettati specificamente per studiare questa epoca», afferma Kannan. «È qui che entrano in gioco le nostre simulazioni; ci aiuteranno a interpretare le vere osservazioni di questo periodo e a capire cosa stiamo vedendo».

Le osservazioni e i dati reali del telescopio saranno presto confrontati con le simulazioni di Thesan, spiega il team. «E questa è la parte interessante», afferma il coautore Mark Vogelsberger, del Mit. «O le nostre simulazioni e il nostro modello Thesan saranno d’accordo con ciò che trova Jwst – il che confermerebbe la nostra immagine dell’universo – oppure ci sarà un disaccordo significativo che mostrerà che la nostra comprensione dell’universo primordiale è sbagliata».

Enrico Garaldi, astrofisico italiano del Max Planck Institute for Astrophysics, in Germania, primo autore di uno degli articoli pubblicati su Mnras. Crediti: E. Garaldi

Per capire se il loro modello è corretto occorre quindi aspettare le prime osservazioni di Jwst. «Abbiamo sviluppato simulazioni basate su ciò che sappiamo», aggiunge Kannan. «Ma sebbene la comunità scientifica abbia imparato molto negli ultimi anni, c’è ancora un po’ di incertezza, soprattutto in questi primi periodi in cui l’universo era molto giovane».

«Questa simulazione è il coronamento di tre anni di lavoro intenso», commenta a Media Inaf Enrico Garaldi, primo autore del secondo articolo della serie. «Tutto è iniziato quando mi sono reso conto che gli altri modelli disponibili fallivano nel descrivere come le galassie primordiali hanno trasformato il loro vicinato cosmico. Quando, dopo tutto il tempo ed il sudore speso per il suo sviluppo, abbiamo dato li primo sguardo a Thesan, c’era molta trepidazione. Ma adesso posso dire con felicità che ora capiamo meglio questo processo».

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