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L’immagine più realistica finora di come le galassie si siano formate e poi evolute dall’inizio dei tempi è stata rivelata in una serie di nuove e uniche simulazioni audiovisive. Questi dati, pubblicati oggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, mostrano che il modello cosmologico standard può spiegare con successo la crescita osservata delle galassie, dal primo miliardo di anni dopo il Big Bang fino ai giorni nostri, quando si include la fisica chiave.
A differenza delle simulazioni precedenti, COLIBRE modella il gas freddo e la polvere cosmica all’interno delle galassie, le materie prime da cui si formano le stelle e che influenzano fortemente l’aspetto delle galassie nei telescopi.
Includendo questi ingredienti precedentemente mancanti e utilizzando molta più potenza di calcolo rispetto a prima, le simulazioni riproducono con successo galassie reali, sia nell’universo attuale che nell’universo primordiale come visto dal James Webb Space Telescope (JWST).
Le simulazioni COLIBRE sono state create da un team internazionale guidato da astronomi dell’Università di Leiden, utilizzando il supercomputer Cosmology Machine dell’Università di Durham nel Regno Unito.
I loro risultati mostrano che il nostro modello standard dell’universo può spiegare la formazione delle galassie con maggiore precisione di quanto si pensasse in precedenza, aprendo al contempo nuovi e potenti modi per confrontare teoria con osservazioni ed esplorare un universo virtuale attraverso immagini, suoni e strumenti interattivi.
Secondo gli scienziati, le simulazioni COLIBRE aprono nuove strade in diversi modi.
Le simulazioni precedenti impedivano artificialmente al gas all’interno delle galassie di raffreddarsi sotto circa 10.000 gradi, più caldo della superficie del Sole, perché modellare i gas più freddi era troppo complesso.
Tuttavia, le osservazioni mostrano che le stelle si formano nel gas freddo. COLIBRE include i processi fisici e chimici aggiuntivi necessari per modellare direttamente questo gas interstellare freddo.
COLIBRE simula anche piccoli granelli di polvere, che possono influenzare notevolmente il gas galattico.
Queste particelle solide possono aiutare la formazione delle molecole di idrogeno, che dominano il contenuto di gas freddo delle galassie.
La polvere protegge anche il gas dalle forti radiazioni ultraviolette e influisce fortemente su come appaiono le galassie nei telescopi.
La polvere assorbe la luce ultravioletta e ottica delle stelle e la riemette nell’infrarosso, influenzando molte osservazioni astronomiche. Modellando direttamente la polvere, COLIBRE apre nuovi modi per confrontare simulazioni con dati reali.
Grazie ai progressi negli algoritmi e nel supercomputing, COLIBRE utilizza fino a 20 volte più elementi con risoluzione rispetto alle simulazioni precedenti, permettendo di simulare volumi più grandi con maggiore dettaglio e con statistiche migliori.
COLIBRE dimostra che trattamenti realistici di gas freddo, polvere e uscite guidate da stelle e buchi neri sono fondamentali per comprendere l’evoluzione delle galassie.
Fornisce un potente nuovo laboratorio per testare teorie, interpretare osservazioni e creare “osservazioni virtuali” per verificare come gli astronomi analizzano i dati reali.
“Gran parte del gas all’interno delle galassie reali è freddo e polveroso, ma la maggior parte delle grandi simulazioni precedenti ha dovuto ignorare questo”, afferma il responsabile del progetto, il professor Joop Schaye dell’Università di Leiden. “Con COLIBRE, finalmente portiamo in gioco questi componenti essenziali.”
COLIBRE mostra che il modello cosmologico standard è coerente con le osservazioni dell’evoluzione delle galassie, incluse alcune ritenute difficili, come le masse delle galassie nell’universo primordiale.
“Alcuni primi risultati del JWST si pensava sfidassero il modello cosmologico standard”, afferma il dottor Evgenii Chaikin dell’Università di Leiden, autore principale di diversi articoli COLIBRE e coautore dello studio principale.
“COLIBRE dimostra che, una volta rappresentati in modo più realistico i processi fisici chiave, il modello è coerente con ciò che vediamo.”
Tuttavia, non tutto è ancora spiegato. Gli enigmatici “Piccoli Puntini Rossi” scoperti dal JWST, probabilmente semi di buchi neri supermassicci, non sono previsti da COLIBRE, che presume che tali semi esistano già.
Modellare la loro formazione richiederà simulazioni a risoluzione ancora più elevata e nuova fisica, indicando la strada per lavori futuri.
Le simulazioni sono state eseguite utilizzando il codice di simulazione SWIFT sul supercomputer COSMA8 presso l’Institute for Computational Cosmology dell’Università di Durham, che fa parte della struttura nazionale DiRAC nel Regno Unito.
La simulazione più grande richiedeva 72 milioni di ore CPU, e il modello completo richiese quasi 10 anni per essere sviluppato da un team internazionale che comprendeva Europa, Australia e Stati Uniti.
Gli scienziati sottolineano che ci vorranno anni per analizzare i dati già prodotti.
La maggior parte delle simulazioni è stata completata nel 2025, anche se alcune delle simulazioni con la risoluzione più alta sono ancora in corso e si prevede che termineranno dopo l’estate.
Oltre ai prodotti dati tradizionali, il team ha sviluppato nuovi modi per esplorare le simulazioni.
Questo include i “video sonificati”, in cui il suono codifica informazioni fisiche aggiuntive, oltre a mappe interattive che permettono agli utenti di esplorare gli universi virtuali.
“Siamo entusiasti non solo della scienza, ma anche di creare nuovi modi per esplorarla”, conclude il dottor James Trayford dell’Università di Portsmouth, che ha guidato lo sviluppo del modello della polvere di COLIBRE e la sonificazione delle sue visualizzazioni.
“Questi strumenti potrebbero fornire nuove intuizioni, rendere il nostro campo più accessibile e aiutarci a costruire intuizioni su come le galassie crescono ed evolvono.”
(c) Schaye et al. (2026)
