Con il supercomputer più grande del mondo e 30 milioni di ore di CPU è stato possibile ricostruire l’aspetto dell’universo ai suoi albori.

 

 

‎Sembrano lucciole tremolanti nell’oscurità che, lentamente, si ammassano sempre più, ‎‎illuminando lo schermo‎‎ in grandi blocchi e cluster.‎

‎Ma questo non è un video sugli insetti. È una simulazione dell’universo primordiale, dopo il Big Bang, quando il cosmo si trasformò da un luogo di oscurità totale in un ambiente radioso e pieno di luce.‎

‎Lo splendido video fa parte di una vasta suite di simulazioni descritte in una serie di tre articoli ‎‎accettati al Monthly Notices of the Royal Astronomical Society‎‎.

Creato dai ricercatori del ‎‎Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian‎‎, il Massachusetts Institute of Technology e il Max Planck Institute for Astrophysics, le simulazioni rappresentano un progresso monumentale nella simulazione della formazione delle prime galassie e della reionizzazione – il processo attraverso il quale gli atomi di idrogeno neutro nello spazio sono stati trasformati in idrogeno caricato positivamente, o ionizzato, permettendo alla luce di diffondersi in tutto l’universo. ‎

‎Il periodo simulato, noto come l’epoca della reionizzazione, ha avuto luogo circa 13 miliardi di anni fa ed è stato difficile da ricostruire, in quanto comporta interazioni immensamente complicate e caotiche, comprese quelle tra gravità, gas e radiazioni o luce.‎

‎”La maggior parte degli astronomi non ha 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 autore principale del ‎‎primo articolo‎‎ della serie. “Siamo in grado di prendere equazioni fisiche di base e modelli teorici di governo per simulare ciò che è accaduto nell’universo primordiale”.‎

‎Le simulazioni del team – chiamate ‎‎Thesan‎‎ in onore della dea etrusca dell’alba – risolvono le interazioni nell’universo primordiale con il più alto dettaglio e oltre il più grande volume 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 dettagli senza precedenti sulle proprietà delle galassie primordiali e su come la luce di queste galassie ha influenzato il gas.‎

‎Il team realizza questo combinando un modello realistico di formazione delle galassie con un nuovo algoritmo che tiene traccia di come la luce interagisce con il gas, insieme a un modello per la polvere cosmica.‎

‎Con Thesan, i ricercatori possono simulare un pezzo del nostro universo che si estende per oltre 300 milioni di anni luce. Il team può eseguire la simulazione in avanti nel tempo per tracciare e visualizzare la prima apparizione ed evoluzione di centinaia di migliaia di galassie all’interno di questo spazio, a partire da circa 400.000 anni dopo il Big Bang e attraverso il primo miliardo di anni.‎

‎Le simulazioni rivelano un graduale cambiamento nell’universo dalla completa oscurità alla luce.‎

‎”È un po’ come l’acqua nei vassoi dei cubetti di ghiaccio; quando lo metti nel congelatore, ci vuole tempo, ma dopo un po ‘inizia a congelarsi sui bordi e poi lentamente si insinua dentro “, dice il co-autore dello studio Aaron Smith, un Einstein Fellow della NASA nel Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT.

“Questa era la stessa situazione nell’universo primordiale: era un cosmo neutro e oscuro che divenne luminoso e ionizzato quando la luce cominciò ad emergere dalle prime galassie”.‎

‎Le simulazioni sono state create per prepararsi alle osservazioni del James Webb Space Telescope (JWST), che sarà in grado di ‎‎scrutare più indietro nel tempo‎‎ – circa 13,5 miliardi di anni – rispetto ai predecessori come il telescopio spaziale Hubble.‎

‎”Molti telescopi in arrivo, come il JWST, sono specificamente progettati per studiare questa epoca”, dice Kannan. “È qui che entrano in gioco le nostre simulazioni; ci aiuteranno a interpretare le osservazioni reali 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”, dice il co-autore dello studio Mark Vogelsberger, professore associato di fisica al MIT. “O le nostre simulazioni e il nostro modello Thesan saranno d’accordo con ciò che JWST trova, il che confermerebbe la nostra immagine dell’universo, o ci sarà un significativo disaccordo che mostrerà che la nostra comprensione dell’universo primordiale è sbagliata”.‎

‎Il team, tuttavia, non saprà se funzionano i vari aspetti del loro modello fino alle prime osservazioni, che copriranno una vasta gamma di fenomeni, tra cui le proprietà delle galassie e l’assorbimento e la fuga della luce nell’universo primordiale. ‎

‎”Abbiamo sviluppato simulazioni basate su ciò che sappiamo”, afferma Kannan. “Ma mentre la comunità scientifica ha imparato molto negli ultimi anni, c’è ancora un po’ di incertezza, specialmente in questi primi tempi in cui l’universo era molto giovane”.‎

‎Le simulazioni sono state create utilizzando uno dei più grandi supercomputer del mondo, il SuperMUC-NG, nel corso di 30 milioni di ore di CPU. Le stesse simulazioni avrebbero richiesto più di 3.500 anni per essere completate su un normale computer.‎

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