Per secoli gli astronomi hanno osservato il cielo notturno, cercando di spiegare con teorie e modelli la formazione di stelle, galassie e altre strutture cosmiche. Al giorno d’oggi, le simulazioni dei supercomputer permettono di trasformare queste teorie in previsioni dettagliate. Quando le previsioni sono in linea con le osservazioni sperimentali, l’affidabilità delle teorie aumenta. Se ciò non avviene, può nascere l’occasione di rivedere le teorie e fare nuove scoperte sul funzionamento del cosmo.
Un team di ricerca del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian ha sviluppato Lumina, una delle simulazioni dell’universo primordiale più grandi e dettagliate mai realizzate. Lo studio, pubblicato questa settimana su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ricostruisce l’interazione tra materia ordinaria, materia oscura e radiazione durante i primi due miliardi di anni dell’universo, fornendo un nuovo potente strumento per verificare le teorie sull’evoluzione del cosmo dopo il big bang. Confrontando le previsioni di Lumina con le osservazioni di telescopi come il James Webb Space Telescope (Jwst) e il Nancy Grace Roman Space Telescope, è possibile valutare se le teorie attuali sono accurate o se richiedono qualche revisione in base alle nuove scoperte di questi strumenti.
Rappresentazione della rete cosmica, estesa per circa 650 milioni di anni luce, realizzata dalla simulazione Lumina. I filamenti sottili rappresentano la materia oscura. Le tonalità arancioni e gialle evidenziano le zone dove il gas si muove più velocemente tra gli ammassi di galassie. Crediti: Oliver Zier, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
«Con Jwst, l’universo primordiale è diventato una nuova entusiasmante frontiera dell’astrofisica», dice Oliver Zier del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, primo autore dello studio. «Per capire ciò che osserviamo con questo telescopio, dobbiamo tradurre le nostre teorie in previsioni dettagliate. Dopo vari anni di lavoro, con molti alti e bassi, è veramente gratificante vedere i risultati della simulazione e osservare le nostre previsioni prendere vita in un video».
Lumina rappresenta la più grande simulazione cosmologica di idrodinamica-radiazione mai realizzata. Questo tipo di simulazione riproduce il modo in cui gli ingredienti fondamentali dell’universo, tra cui gas, materia oscura e luce, interagiscono tra loro per formare stelle e galassie. Lumina ricostruisce il modo in cui le prime galassie sono emerse e hanno trasformato le vaste regioni di gas tra di esse. La simulazione copre un volume di spazio oltre cento volte superiore a quello modellizzato in precedenti simulazioni analoghe. Comprende una regione equivalente a un cubo con un lato di circa 1,5 miliardi di anni luce, confrontabile con la scala che i ricercatori possono osservare con i più potenti telescopi odierni. Lumina è inoltre la prima simulazione a catturare la reionizzazione dell’elio nel momento in cui è avvenuta, consentendo al contempo ai suoi effetti di influenzare immediatamente l’universo in evoluzione all’interno del modello.
«Ci sentiamo incredibilmente fortunati a poter realizzare simulazioni come Lumina», dice Aaron Smith della University of Texas, Dallas. «Per la prima volta, possiamo osservare come sia l’idrogeno che l’elio si siano trasformati nella loro forma attuale in un volume di universo così vasto, riuscendo al contempo a distinguere le galassie e gli altri oggetti luminosi che hanno guidato tale trasformazione».
La realizzazione di Lumina ha richiesto oltre quindicimila unità di elaborazione grafica in esecuzione sul supercomputer Frontier, uno dei più veloci al mondo, situato al Oak Ridge National Laboratory, nel Tennessee. La sua enorme potenza di calcolo ha permesso di simulare un volume di universo primordiale senza precedenti, mantenendo allo stesso tempo il livello di dettaglio richiesto per studiare la formazione di galassie, stelle e buchi neri.
Il team di ricerca ha progettato Lumina come una piattaforma per verificare nuove idee sulla formazione ed evoluzione dell’universo. Studi futuri useranno la simulazione per studiare come i gas si muovano tra le galassie, come la radiazione del big bang abbia plasmato l’evoluzione cosmica e come, nel corso del tempo, si siano sviluppate regioni di intensa formazione stellare.
Per saperne di più:
- Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “Introducing the Lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization” di O. Zier, A. Smith, X. Shen, R. Liu, R. Kannan, S.M. Koehler, V. Springel, R. Pakmor, M. Vogelsberger, T. Bulichi e L. Hernquist