Da tempo immemorabile, filosofi e studiosi hanno cercato di determinare come è iniziata l'esistenza. Con la nascita dell'astronomia moderna, questa tradizione ha continuato e ha dato origine al campo noto come cosmologia. E con l'aiuto del supercalcolo, gli scienziati sono in grado di condurre simulazioni che mostrano come le prime stelle e galassie si sono formate nel nostro Universo e si sono evolute nel corso di miliardi di anni.
Fino a poco tempo fa, lo studio più completo e completo era la simulazione "Illustrus", che ha esaminato il processo di formazione della galassia nel corso degli ultimi 13 miliardi di anni. Cercando di battere il proprio record, lo stesso team ha recentemente iniziato a condurre una simulazione nota come "Illustris, The Next Generation" o "IllustrisTNG". Il primo round di questi risultati è stato recentemente pubblicato e ne seguiranno molti altri.
Questi risultati sono comparsi in tre articoli recentemente pubblicati nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society. Il team di Illustris è composto da ricercatori dell'Istituto di studi teorici di Heidelberg, dell'Istituto Max-Planck per l'astrofisica e per l'astronomia, del Massachusetts Institute of Technology, dell'Università di Harvard e del Center for Computational Astrophysics di New York.
Utilizzando il supercomputer Hazel Hen presso il Centro di calcolo ad alte prestazioni di Stoccarda (HLRS) - una delle tre strutture di supercalcolo tedesche di livello mondiale che comprendono il Gauss Center for Supercomputing (GCS) - il team ha condotto una simulazione che aiuterà a verificare ed espandere sulle conoscenze sperimentali esistenti sulle prime fasi dell'Universo, ovvero ciò che è accaduto dai 300.000 anni dopo il Big Bang ai giorni nostri.
Per creare questa simulazione, il team ha combinato equazioni (come la teoria della relatività generale) e dati di osservazioni moderne in un enorme cubo computazionale che rappresentava un'ampia sezione trasversale dell'Universo. Per alcuni processi, come la formazione stellare e la crescita dei buchi neri, i ricercatori sono stati costretti a fare affidamento su ipotesi basate su osservazioni. Hanno quindi impiegato modelli numerici per mettere in moto questo universo simulato.
Rispetto alla loro precedente simulazione, IllustrisTNG consisteva in 3 diversi universi con tre diverse risoluzioni - il più grande dei quali misurava 1 miliardo di anni luce (300 megaparsec). Inoltre, il team di ricerca ha incluso una contabilità più precisa per i campi magnetici, migliorando così l'accuratezza. In totale, la simulazione ha utilizzato 24.000 core sul supercomputer Hazel Hen per un totale di 35 milioni di ore core.
Come ha spiegato il prof. Dr. Volker Springel, professore e ricercatore presso l'Istituto di studi teorici di Heidelberg e principale investigatore del progetto, in un comunicato stampa del Gauss Center:
“I campi magnetici sono interessanti per una serie di motivi. La pressione magnetica esercitata sul gas cosmico può occasionalmente essere uguale alla pressione termica (temperatura), il che significa che se si trascura questo, si perderanno questi effetti e alla fine si comprometteranno i risultati. "
Un'altra grande differenza è stata l'inclusione della fisica aggiornata del buco nero basata su recenti campagne di osservazione. Ciò include prove che dimostrano una correlazione tra buchi neri supermassicci (SMBH) ed evoluzione galattica. In sostanza, è noto che gli SMBH inviano un'enorme quantità di energia sotto forma di radiazioni e getti di particelle, che può avere un effetto di arresto sulla formazione stellare in una galassia.
Mentre i ricercatori erano certamente a conoscenza di questo processo durante la prima simulazione, non hanno considerato il modo in cui può arrestare completamente la formazione stellare. Includendo i dati aggiornati su entrambi i campi magnetici e la fisica del buco nero nella simulazione, il team ha visto una maggiore correlazione tra i dati e le osservazioni. Sono quindi più sicuri dei risultati e credono che rappresenti la simulazione più accurata fino ad oggi.
Ma come ha spiegato il dottor Dylan Nelson, un fisico del Max Planck Institute of Astronomy e un membro llustricTNG, le future simulazioni saranno probabilmente ancora più accurate, supponendo che i progressi nei supercomputer continuino:
“L'aumento della memoria e delle risorse di elaborazione nei sistemi di prossima generazione ci consentirà di simulare grandi volumi dell'universo con una risoluzione più elevata. Grandi volumi sono importanti per la cosmologia, per comprendere la struttura su larga scala dell'universo e fare previsioni ferme per la prossima generazione di grandi progetti osservativi. L'alta risoluzione è importante per migliorare i nostri modelli fisici dei processi che avvengono all'interno delle singole galassie nella nostra simulazione. "
Quest'ultima simulazione è stata resa possibile anche grazie all'ampio supporto fornito dallo staff GCS, che ha assistito il team di ricerca nelle questioni relative alla loro codifica. È stato anche il risultato di un enorme sforzo di collaborazione che ha riunito ricercatori di tutto il mondo e li ha accoppiati con le risorse di cui avevano bisogno. Infine, ma non meno importante, mostra come una maggiore collaborazione tra ricerca applicata e ricerca teorica porti a risultati migliori.
Guardando al futuro, il team spera che i risultati di quest'ultima simulazione si dimostrino ancora più utili di quelli precedenti. Il rilascio originale dei dati di Illustris ha ottenuto oltre 2.000 utenti registrati e ha portato alla pubblicazione di 130 studi scientifici. Dato che questo è più preciso e aggiornato, il team si aspetta che troverà più utenti e porterà a ricerche ancora più innovative.
Chissà? Forse un giorno potremmo creare una simulazione che cattura la formazione e l'evoluzione del nostro Universo con la massima accuratezza. Nel frattempo, assicurati di goderti questo video della prima simulazione di Illustris, per gentile concessione del membro del team e del fisico del MIT Mark Vogelsberger:
