Il telescopio spaziale James Webb (JWST) e il telescopio spaziale Nancy Roman stanno rivelando nel dettaglio le fasi iniziali dell’Universo. Per aiutare gli astronomi a comprendere ciò che osservano, i ricercatori del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian hanno sviluppato “Lumina“, una delle simulazioni dell’Universo primordiale più ampie e dettagliate mai realizzate. Il nuovo modello, pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ricostruisce le interazioni tra materia ordinaria, materia oscura e radiazione durante i primi 2 miliardi di anni dell’Universo, offrendo agli scienziati un nuovo strumento per verificare le teorie sull’evoluzione del cosmo dopo il Big Bang. Confrontando le osservazioni del JWST, del telescopio Roman e di altri strumenti con le previsioni di Lumina, gli astronomi possono stabilire se la loro comprensione delle leggi che governano l’Universo sia ancora corretta o se le nuove scoperte richiedano una revisione delle teorie esistenti.
Per secoli, gli astronomi hanno osservato il cielo notturno, sviluppando modelli sempre più sofisticati per spiegare la formazione di stelle, galassie e altre strutture cosmiche. Oggi, le simulazioni eseguite su supercomputer consentono ai ricercatori di trasformare tali teorie in previsioni dettagliate. Quando le osservazioni coincidono con queste previsioni, la fiducia nelle teorie esistenti si rafforza; in caso contrario, si aprono nuove opportunità per acquisire conoscenze inedite sul funzionamento dell’Universo. “Grazie al JWST, l’Universo primordiale è diventato un’entusiasmante nuova frontiera dell’astrofisica“, afferma l’autore principale Oliver Zier, ricercatore ITC presso il Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. “Per comprendere ciò che osserviamo con questo telescopio, dobbiamo tradurre le nostre teorie in previsioni dettagliate. Dopo anni di lavoro, tra alti e bassi, è estremamente gratificante vedere i risultati della simulazione e osservare le nostre previsioni prendere vita in un video”.
La reionizzazione su una scala senza precedenti
Lumina rappresenta la più grande simulazione cosmologica di idrodinamica radiativa mai creata. Questo tipo di simulazione modella il modo in cui gli ingredienti fondamentali dell’Universo – tra cui gas, materia oscura e luce – interagiscono per dare origine a stelle e galassie. Lumina segue i primi 2 miliardi di anni di storia cosmica, tracciando l’emergere delle prime galassie e il modo in cui esse hanno trasformato le vaste distese di gas interposte. La simulazione copre un volume di spazio oltre 100 volte superiore a quello modellato in precedenti simulazioni analoghe. È inoltre la prima a catturare la reionizzazione dell’elio nel momento in cui è avvenuta, consentendo ai suoi effetti di influenzare immediatamente l’evoluzione dell’Universo all’interno del modello. La simulazione comprende una regione equivalente a un cubo con un lato di circa 1,5 miliardi di anni luce, una scala paragonabile a quella che gli astronomi possono osservare con i telescopi più potenti oggi a disposizione.
“Ci riteniamo estremamente fortunati a poter realizzare simulazioni come Lumina”, ha dichiarato Aaron Smith, professore assistente di fisica presso l’Università del Texas a Dallas e coautore dello studio. “Per la prima volta, siamo in grado di seguire la trasformazione sia dell’idrogeno che dell’elio nelle loro forme attuali, su un volume di Universo così vasto, riuscendo al contempo a distinguere le galassie e gli altri oggetti luminosi che guidano tale cambiamento”.
La potenza dei supercomputer per i futuri test cosmici
Per creare Lumina sono state utilizzate oltre 15.000 unità di elaborazione grafica (GPU) su Frontier, uno dei supercomputer più veloci al mondo, situato presso l’Oak Ridge National Laboratory, nel Tennessee. La sua potenza di calcolo ha permesso ai ricercatori di modellare un volume senza precedenti dell’Universo primordiale, mantenendo al contempo il livello di dettaglio necessario per studiare la formazione di galassie, stelle e buchi neri. Il team di ricerca ha progettato Lumina come una piattaforma per testare nuove teorie sulla formazione e l’evoluzione dell’Universo. Studi futuri utilizzeranno questa simulazione per indagare come i gas si spostino tra le galassie, in che modo la radiazione residua del Big Bang abbia plasmato l’evoluzione cosmica e come, nel corso del tempo, si siano sviluppate regioni caratterizzate da un’intensa formazione stellare.