Comprendere l'Universo e come si è evoluto nel corso di miliardi di anni è un compito piuttosto scoraggiante. Da un lato, implica guardare minuziosamente miliardi di anni luce nello spazio profondo (e quindi miliardi di anni fa) per vedere come la sua struttura su larga scala è cambiata nel tempo. Quindi, sono necessarie enormi quantità di potenza di calcolo per simulare l'aspetto che dovrebbe avere (basato sulla fisica nota) e vedere se corrispondono.
Questo è ciò che un team di astrofisici dell'Università di Zurigo (UZH) ha fatto utilizzando il supercomputer "Piz Daint". Con questa sofisticata macchina, hanno simulato la formazione di tutto il nostro Universo e hanno prodotto un catalogo di circa 25 miliardi di galassie virtuali. Questo catalogo sarà lanciato a bordo della missione Euclide dell'ESA nel 2020, che trascorrerà sei anni a sondare l'Universo per indagare sulla materia oscura.
Il lavoro del team è stato dettagliato in uno studio apparentemente pubblicato sul diario Astrofisica computazionale e cosmologia. Guidato da Douglas Potter, il team ha trascorso gli ultimi tre anni a sviluppare un codice ottimizzato per descrivere (con una precisione senza precedenti) la dinamica della materia oscura e la formazione di strutture su larga scala nell'Universo.
Il codice, noto come PKDGRAV3, è stato appositamente progettato per utilizzare in modo ottimale la memoria disponibile e la potenza di elaborazione delle moderne architetture di supercomputer. Dopo essere stato eseguito sul supercomputer "Piz Daint" - situato presso il Centro nazionale svizzero di calcolo (CSCS) - per un periodo di sole 80 ore, è riuscito a generare un universo virtuale di due trilioni di macro-particelle, da cui un catalogo di 25 miliardi di galassie virtuali sono state estratte.
Intrinseco ai loro calcoli era il modo in cui il fluido della materia oscura si sarebbe evoluto sotto la sua stessa gravità, portando così alla formazione di piccole concentrazioni note come "aloni della materia oscura". È all'interno di questi aloni - una componente teorica che si ritiene si estenda ben oltre l'estensione visibile di una galassia - che si ritiene che si siano formate galassie come la Via Lattea.
Naturalmente, questo ha rappresentato una vera sfida. Richiedeva non solo un calcolo preciso di come si evolve la struttura della materia oscura, ma richiedeva anche di considerare come ciò avrebbe influenzato ogni altra parte dell'Universo. Joachim Stadel, professore presso il Center for Theoretical Astrophysics and Cosmology presso UZH e coautore del documento, ha detto a Space Magazine via e-mail:
"Abbiamo simulato 2 trilioni di" pezzi "di materia oscura, il più grande calcolo di questo tipo che sia mai stato eseguito. Per fare questo abbiamo dovuto utilizzare una tecnica di calcolo nota come "metodo multipolare veloce" e utilizzare uno dei computer più veloci al mondo, "Piz Daint" presso il Centro nazionale svizzero di supercomputer, che tra l'altro ha unità di elaborazione grafica molto veloci (GPU) che consentono un'enorme accelerazione dei calcoli in virgola mobile necessari nella simulazione. La materia oscura si raggruppa in "aloni" di materia oscura che a loro volta ospitano le galassie. Il nostro calcolo produce accuratamente la distribuzione e le proprietà della materia oscura, compresi gli aloni, ma le galassie, con tutte le loro proprietà, devono essere posizionate all'interno di questi aloni usando un modello. Questa parte del compito è stata eseguita dai nostri colleghi a Barcellona sotto la direzione di Pablo Fossalba e Francisco Castander. Queste galassie hanno quindi i colori previsti, la distribuzione spaziale e le linee di emissione (importanti per gli spettri osservati da Euclide) e possono essere utilizzate per testare e calibrare vari sistematici ed errori casuali all'interno dell'intera pipeline di strumenti di Euclide. ”
Grazie all'elevata precisione dei loro calcoli, il team è stato in grado di realizzare un catalogo che soddisfaceva i requisiti della missione Euclide dell'Agenzia spaziale europea, il cui obiettivo principale è esplorare "l'universo oscuro". Questo tipo di ricerca è essenziale per comprendere l'Universo sulla più grande scala, principalmente perché la stragrande maggioranza dell'Universo è oscura.
Tra il 23% dell'Universo costituito da materia oscura e il 72% costituito da energia oscura, solo un ventesimo dell'Universo è in realtà costituito dalla materia che possiamo vedere con strumenti normali (alias "luminosi" o materia barionica). Nonostante siano stati proposti rispettivamente negli anni '60 e '90, la materia oscura e l'energia oscura rimangono due dei più grandi misteri cosmologici.
Dato che la loro esistenza è richiesta affinché i nostri attuali modelli cosmologici funzionino, la loro esistenza è stata inferita solo e sempre attraverso l'osservazione indiretta. Questo è esattamente ciò che farà la missione Euclide nel corso della sua missione di sei anni, che consisterà nel catturare la luce da miliardi di galassie e misurarla per sottili distorsioni causate dalla presenza della massa in primo piano.
Più o meno allo stesso modo in cui la misurazione della luce di fondo può essere distorta dalla presenza di un campo gravitazionale tra esso e l'osservatore (vale a dire un test consolidato per la relatività generale), la presenza di materia oscura eserciterà un'influenza gravitazionale sulla luce. Come spiegato Stadel, il loro Universo simulato svolgerà un ruolo importante in questa missione Euclide, fornendo un quadro che verrà utilizzato durante e dopo la missione.
"Per prevedere in che misura i componenti attuali saranno in grado di effettuare una determinata misurazione, è necessario creare un Universo popolato di galassie il più vicino possibile al vero Universo osservato", ha affermato. "Questo" mock "catalogo di galassie è ciò che è stato generato dalla simulazione e verrà ora utilizzato in questo modo. Tuttavia, in futuro quando Euclid inizierà a prendere i dati, dovremo anche usare simulazioni come questa per risolvere il problema inverso. Dovremo quindi essere in grado di prendere l'Universo osservato e determinare i parametri fondamentali della cosmologia; una connessione che attualmente può essere stabilita con sufficiente precisione da simulazioni di grandi dimensioni come quella che abbiamo appena eseguito. Questo è un secondo aspetto importante di come tale simulazione funziona [e] è centrale nella missione Euclide. "
Dai dati di Euclide, i ricercatori sperano di ottenere nuove informazioni sulla natura della materia oscura, ma anche di scoprire una nuova fisica che vada oltre il Modello standard della fisica delle particelle, ovvero una versione modificata della relatività generale o un nuovo tipo di particella. Come ha spiegato Stadel, il miglior risultato per la missione sarebbe quello in cui i risultati lo fanno non conforme alle aspettative.
"Sebbene renderà sicuramente le misurazioni più accurate dei parametri cosmologici fondamentali (come la quantità di materia oscura ed energia nell'Universo) molto più eccitante sarebbe misurare qualcosa che è in conflitto o, quanto meno, è in tensione con il attuale modello "LCD lambda freddo freddo" (LCDM) ", ha affermato. "Una delle maggiori domande è se la cosiddetta" energia oscura "di questo modello sia in realtà una forma di energia o se sia più correttamente descritta da una modifica alla teoria generale della relatività di Einstein. Mentre possiamo solo iniziare a grattare la superficie di tali domande, sono molto importanti e hanno il potenziale per cambiare la fisica a un livello fondamentale. "
In futuro, Stadel e i suoi colleghi sperano di eseguire simulazioni sull'evoluzione cosmica che tengano conto sia della materia oscura e energia oscura. Un giorno, questi aspetti esotici della natura potrebbero costituire i pilastri di una nuova cosmologia, che va oltre la fisica del Modello Standard. Nel frattempo, gli astrofisici di tutto il mondo probabilmente aspetteranno il primo gruppo di risultati della missione Euclide con il fiato sospeso.
Euclide è una delle numerose missioni che è attualmente impegnata nella caccia alla materia oscura e nello studio di come ha modellato il nostro Universo. Altri includono l'esperimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) a bordo della ISS, il Kilo Degree Survey (KiDS) dell'ESO e il Large Hardon Collider del CERN. Per fortuna, questi esperimenti riveleranno pezzi del puzzle cosmologico che sono rimasti inafferrabili per decenni.
