Un team di astrofisici ha appena generato 8 milioni di universi unici all'interno di un supercomputer e li ha fatti evolvere da piccoli a vecchi geezers. Il loro obiettivo? Definire il ruolo che una sostanza invisibile chiamata materia oscura ha giocato nella vita del nostro universo dal Big Bang e cosa significa per il nostro destino.
Dopo aver scoperto che il nostro universo è principalmente composto da materia oscura alla fine degli anni '60, gli scienziati hanno speculato sul suo ruolo nella formazione delle galassie e sulla loro capacità di dare alla luce nuove stelle nel tempo.
Secondo la teoria del Big Bang, non molto tempo dopo la nascita dell'universo, una sostanza invisibile e inafferrabile che i fisici hanno soprannominato materia oscura ha iniziato a raggrupparsi dalla forza di gravità in enormi nuvole chiamate aloni di materia oscura. Man mano che le aloni crescevano di dimensioni, attiravano il rado idrogeno gassoso che permea l'universo per unirsi e formare le stelle e le galassie che vediamo oggi. In questa teoria, la materia oscura funge da spina dorsale delle galassie, dettando come si formano, si fondono e si evolvono nel tempo.
Per capire meglio come la materia oscura abbia plasmato questa storia dell'universo, Peter Behroozi, un assistente professore di astronomia all'Università dell'Arizona, e il suo team hanno creato i suoi universi usando il supercomputer della scuola. I 2.000 processori del computer hanno funzionato senza sosta nell'arco di tre settimane per simulare più di 8 milioni di universi unici. Ogni universo ha obbedito individualmente a un insieme unico di regole per aiutare i ricercatori a comprendere la relazione tra la materia oscura e l'evoluzione delle galassie.
"Sul computer, possiamo creare molti universi diversi e confrontarli con quello reale, e questo ci permette di dedurre quali regole portano a quello che vediamo", ha detto Behroozi in una nota.
Mentre le simulazioni precedenti si erano concentrate sulla modellazione di singole galassie o sulla generazione di universi simulati con parametri limitati, UniverseMachine è il primo del suo ambito. Il programma ha creato continuamente milioni di universi, ciascuno contenente 12 milioni di galassie, e ognuno ha permesso di evolversi in quasi tutta la storia dell'universo reale da 400 milioni di anni dopo il Big Bang fino ai giorni nostri.
"La grande domanda è: 'Come si formano le galassie?'", Ha detto la ricercatrice di studi Risa Wechsler, professore di fisica e astrofisica alla Stanford University. "La cosa davvero interessante di questo studio è che possiamo usare tutti i dati che abbiamo sull'evoluzione della galassia - il numero di galassie, quante stelle hanno e come formano quelle stelle - e metterli insieme in un quadro completo dell'ultimo 13 miliardi di anni di universo ".
La creazione di una replica del nostro universo, o persino di una galassia, richiederebbe una quantità inspiegabile di potenza di calcolo. Quindi Behroozi e i suoi colleghi hanno ristretto la loro attenzione a due proprietà chiave delle galassie: la loro massa combinata di stelle e la velocità con cui ne danno alla luce nuove.
"La simulazione di una singola galassia richiede dalle 10 alle 48 operazioni di calcolo", ha spiegato Behroozi, riferendosi a un'operazione di ottilioni o un 1 seguito da 48 zeri. "Tutti i computer sulla Terra messi insieme non potevano farlo in cento anni. Quindi per simulare una sola galassia, per non parlare di 12 milioni, abbiamo dovuto farlo in modo diverso."
Mentre il programma per computer genera nuovi universi, fa un'ipotesi su come il tasso di formazione stellare di una galassia sia correlato alla sua età, alle sue interazioni passate con altre galassie e alla quantità di materia oscura nella sua aureola. Quindi confronta ogni universo con osservazioni reali, perfezionando i parametri fisici con ogni iterazione per abbinare meglio la realtà. Il risultato finale è un universo quasi identico al nostro.
Secondo Wechsler, i loro risultati hanno mostrato che la velocità con cui le galassie danno alla luce le stelle è strettamente connessa alla massa dei loro aloni materia oscura. Le galassie con masse di alone di materia oscura più simili alla nostra Via Lattea avevano i più alti tassi di formazione stellare. Spiegò che la formazione stellare è soffocata in galassie più massicce da un'abbondanza di buchi neri
Le loro osservazioni hanno anche sfidato le credenze di vecchia data secondo cui la materia oscura ha soffocato la formazione stellare nell'universo primordiale.
"Mentre torniamo indietro prima e prima nell'universo, ci aspetteremmo che la materia oscura sia più densa, e quindi il gas diventerà sempre più caldo. Questo è un male per la formazione stellare, quindi avevamo pensato che molte galassie all'inizio l'universo avrebbe dovuto smettere di formare stelle molto tempo fa ", ha detto Behroozi. "Ma abbiamo trovato il contrario: le galassie di una determinata dimensione avevano maggiori probabilità di formare stelle a un ritmo più elevato, contrariamente alle aspettative."
Ora, il team ha in programma di espandere l'UniversoMachine per testare altri modi in cui la materia oscura potrebbe influenzare le proprietà delle galassie, incluso l'evoluzione delle loro forme, la massa dei loro buchi neri e la frequenza con cui le loro stelle diventano supernova.
"Per me, la cosa più eccitante è che ora abbiamo un modello in cui possiamo iniziare a porre tutte queste domande in una struttura che funziona", ha detto Wechsler. "Abbiamo un modello abbastanza economico dal punto di vista computazionale, che possiamo essenzialmente calcolare un intero universo in circa un secondo. Quindi possiamo permetterci di farlo milioni di volte ed esplorare tutto lo spazio dei parametri."
Il gruppo di ricerca ha pubblicato i risultati nel numero di settembre della rivista Monthly Avvisi della Royal Astronomical Society.
