Un team internazionale di astronomi ha effettuato il più grande monitoraggio cosmologico di simulazione al computer non solo oscuro ma anche materia ordinaria. Le simulazioni FLAMINGO calcolano l’evoluzione di tutti i componenti dell’universo – materia ordinaria, materia oscura ed energia oscura – secondo le leggi della fisica. Man mano che la simulazione avanza, emergono galassie virtuali e gruppi di galassie. Le simulazioni hanno richiesto oltre 50 milioni di ore di CPU e hanno prodotto oltre 1 petabyte di dati. 

 

 

 

 

I paesi di tutto il mondo stanno investendo ingenti somme di denaro per costruire telescopi sempre più grandi sulla Terra e nello spazio, come l’Euclid Space Telescope, recentemente lanciato dall’Agenzia spaziale europea ESA.

Questi e altre strutture raccolgono quantità impressionanti di dati su galassie, quasar e stelle. Simulazioni come FLAMINGO svolgono un ruolo chiave nell’interpretazione scientifica dei dati collegando le previsioni dalle teorie del nostro universo ai dati osservati.

Secondo la teoria, le proprietà del nostro intero universo sono stabilite da alcuni numeri chiamati “parametri cosmologici” (sei nella versione più semplice della teoria).

I valori di questi parametri possono essere misurati in modo molto preciso vari modi. Uno di questi metodi si basa sulle proprietà della radiazione cosmica di fondo a microonde, la radiazione termica lasciata dal Big Bang.

Tuttavia, questi valori non corrispondono a quelli misurati da altre tecniche che si basano sul modo in cui la forza gravitazionale delle galassie piega la luce.

Queste  divergenze potrebbero segnalare la fine del modello standard di cosmologia, quello della materia oscura fredda.

Le simulazioni al computer potrebbero essere in grado di rivelare la causa di queste tensioni perché possono informare gli scienziati su possibili pregiudizi ( errori sistematici ) nelle misurazioni.

Se nessuno di questi si rivela sufficiente per spiegare le differenze, la teoria sarà nei guai.

Finora, le simulazioni al computer utilizzate per confrontarsi con le osservazioni tengono traccia solo della materia oscura fredda.

“Sebbene la materia oscura domini la gravità, il contributo della materia ordinaria non può più essere trascurato”,  afferma il leader della ricerca Joop Schaye (Leiden University),

I primi risultati mostrano che sia i neutrini che la materia ordinaria sono essenziali per fare previsioni accurate, ma non eliminano le tensioni tra i diversi modelli cosmologici derivati dalle osservazioni.

Materia ordinaria e neutrini
Le simulazioni che tracciano anche la materia ordinaria sono molto più impegnative e richiedono molta più potenza di elaborazione.

Questo perché la materia ordinaria – che costituisce solo il sedici per cento di tutta la materia nell’universo – sente non solo la gravità ma anche la pressione, che può far esplodere la materia dalle galassie da buchi neri attivi e supernovae nello spazio intergalattico.

La forza di questi venti intergalattici dipende dalle esplosioni nel mezzo interstellare ed è molto difficile da prevedere.

Inoltre, anche il contributo dei neutrini, particelle subatomiche di massa molto piccola ma non nota, è importante, ma il movimento dei neutrini non è stato finora simulato.

 

Metodo
Gli astronomi hanno completato una serie di simulazioni al computer che tracciano la formazione della struttura nella materia oscura, della materia ordinaria e nei neutrini.

Il dottorando Roi Kugel (Leiden University) spiega: “L’effetto dei venti galattici è stato calibrato usando l’apprendimento automatico, confrontando le previsioni di molte diverse simulazioni di volumi relativamente piccoli con le masse osservate di galassie e la distribuzione di gas in gruppi di galassie.'”

I ricercatori hanno simulato il modello che descrive meglio le osservazioni di calibrazione con un supercomputer in diversi volumi cosmici e con diverse risoluzioni. Inoltre, hanno variato i parametri del modello, inclusa la forza dei venti galattici, la massa di neutrini e i parametri cosmologici nelle simulazioni di volumi leggermente più piccoli ma ancora grandi.

La più grande simulazione utilizza 300 miliardi di elementi di risoluzione (con la massa di una piccola galassia) in un volume cubico con bordi di dieci miliardi di anni luce.

Questa è la più grande simulazione al computer cosmologico con materia ordinaria mai completata. Matthieu Schaller ( Leiden University ): “Per rendere possibile questa simulazione, abbiamo sviluppato un nuovo codice, SWIFT, che distribuisce in modo efficiente il lavoro computazionale su oltre 30 mila CPU.”



Ricerca di follow-up

Le simulazioni FLAMINGO aprono una nuova finestra virtuale sull’universo che contribuirà a sfruttare al meglio le osservazioni cosmologiche.

Inoltre, la grande quantità di dati (virtuali) crea opportunità per fare nuove scoperte teoriche e testare nuove analisi dei dati tecniche, incluso l’apprendimento automatico.

Utilizzando l’apprendimento automatico, gli astronomi possono quindi fare previsioni per universi virtuali casuali.

Confrontandoli con osservazioni di struttura su larga scala, possono misurare i valori dei parametri cosmologici.

Inoltre, possono misurare le incertezze corrispondenti confrontandole con osservazioni che limitano l’effetto dei venti galattici. 

FLAMINGO è un progetto del consorzio VIRGO per simulazioni di supercomputer cosmologici.

L’acronimo sta per simulazioni di strutture su larga scala Full-hydro con mappatura All-sky per l’interpretazione delle osservazioni di prossima generazione.

Il team FLAMINGO è guidato da Joop Schaye (Leiden University) e all’interno del team collaborano scienziati principalmente olandesi e britannici. Le simulazioni al computer sono state fatte con il DiRAC Computer COSMA8 a Durham, Regno Unito.

 

Immagine: Yannick Bahé, the FLAMINGO team and the Virgo Consortium.