Gli scienziati sviluppano il modello più grande e dettagliato dell’universo primordiale fino ad oggi Notizie del MIT

Tutto è iniziato circa 13,8 miliardi di anni fa con un grande “bang” cosmologico che ha portato all’esistenza l’universo all’improvviso e in modo spettacolare. Poco dopo, l’universo infantile si raffreddò drammaticamente e divenne completamente oscuro.

Poi, nel giro di duecento milioni di anni dopo il Big Bang, l’universo si risvegliò, quando la gravità raccolse materia nelle prime stelle e galassie. La luce di queste prime stelle ha trasformato il gas circostante in un plasma caldo e ionizzato – una trasformazione cruciale nota come reionizzazione cosmica che ha spinto l’universo nella complessa struttura che vediamo oggi.

Ora, gli scienziati possono avere una visione dettagliata di come l’universo potrebbe essersi sviluppato durante questo periodo cruciale con una nuova simulazione, nota come Thesan, sviluppata dagli scienziati del MIT, dell’Università di Harvard e del Max Planck Institute for Astrophysics.

Prende il nome dalla dea etrusca dell’alba, Thesan è progettato per simulare “l’alba cosmica” e in particolare la reionizzazione cosmica, un periodo che è stato difficile ricostruire, poiché comporta interazioni caotiche immensamente complicate, comprese quelle tra gravità, gas, e radiazioni.

La simulazione Thesan risolve queste interazioni con i dettagli più elevati e il volume più grande di qualsiasi simulazione precedente. Lo fa combinando un modello realistico di formazione delle galassie con un nuovo algoritmo che tiene traccia del modo in cui la luce interagisce con il gas, insieme a un modello per la polvere cosmica.

Con Thesan, i ricercatori possono simulare un volume cubico dell’universo che copre 300 milioni di anni luce di diametro. Eseguono la simulazione in avanti nel tempo per tracciare la prima apparizione ed evoluzione di centinaia di migliaia di galassie all’interno di questo spazio, a partire da circa 400.000 anni dopo il Big Bang e attraverso il primo miliardo di anni.

Finora, le simulazioni sono in linea con le poche osservazioni che gli astronomi hanno dell’universo primordiale. Man mano che vengono fatte più osservazioni su questo periodo, ad esempio con il telescopio spaziale James Webb appena lanciato, Thesan potrebbe aiutare a collocare tali osservazioni nel contesto cosmico.

Per ora, le simulazioni stanno iniziando a far luce su alcuni processi, come la distanza che la luce può viaggiare nell’universo primordiale e quali galassie erano responsabili della reionizzazione.

“Thesan funge da ponte verso l’universo primordiale”, afferma Aaron Smith, Einstein Fellow della NASA presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT. “È destinato a fungere da controparte di simulazione ideale per le imminenti strutture di osservazione, che sono pronte a modificare radicalmente la nostra comprensione del cosmo”.

Smith e Mark Vogelsberger, professore associato di fisica al MIT, Rahul Kannan dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, ed Enrico Garaldi del Max Planck hanno introdotto la simulazione di Thesan attraverso tre articoli, il terzo pubblicato oggi sul Avvisi mensili della Royal Astronomical Society.

Segui la luce

Nelle prime fasi della reionizzazione cosmica, l’universo era uno spazio oscuro e omogeneo. Per i fisici, l’evoluzione cosmica durante questi primi “secoli bui” è relativamente semplice da calcolare.

“In linea di principio potresti risolverlo con carta e penna”, dice Smith. “Ma a un certo punto la gravità inizia a riunire e far collassare la materia, all’inizio lentamente, ma poi così rapidamente che i calcoli diventano troppo complicati e dobbiamo fare una simulazione completa”.

Per simulare completamente la reionizzazione cosmica, il team ha cercato di includere il maggior numero possibile di ingredienti principali dell’universo primordiale. Hanno iniziato con un modello di formazione di galassie di successo sviluppato in precedenza dai loro gruppi, chiamato Illustris-TNG, che ha dimostrato di simulare accuratamente le proprietà e le popolazioni delle galassie in evoluzione. Hanno quindi sviluppato un nuovo codice per incorporare il modo in cui la luce delle galassie e delle stelle interagisce e reionizza il gas circostante, un processo estremamente complesso che altre simulazioni non sono state in grado di riprodurre accuratamente su larga scala.

“Thesan segue come la luce di queste prime galassie interagisce con il gas nel corso dei primi miliardi di anni e trasforma l’universo da neutro a ionizzato”, afferma Kannan. “In questo modo, seguiamo automaticamente il processo di reionizzazione mentre si svolge”.

Infine, il team ha incluso un modello preliminare della polvere cosmica, un’altra caratteristica unica di tali simulazioni dell’universo primordiale. Questo primo modello mira a descrivere come minuscoli granelli di materiale influenzino la formazione di galassie nell’universo primordiale e sparso.

Ponte cosmico

Con gli ingredienti della simulazione in atto, il team ha impostato le sue condizioni iniziali per circa 400.000 anni dopo il Big Bang, sulla base di misurazioni di precisione della luce reliquia del Big Bang. Hanno quindi sviluppato queste condizioni in avanti nel tempo per simulare una zona dell’universo, utilizzando la macchina SuperMUC-NG – uno dei più grandi supercomputer del mondo – che ha sfruttato simultaneamente 60.000 core di calcolo per eseguire i calcoli di Thesan su un equivalente di 30 milioni di CPU ore (uno sforzo che avrebbe richiesto 3.500 anni per essere eseguito su un singolo desktop).

Le simulazioni hanno prodotto la visione più dettagliata della reionizzazione cosmica, attraverso il più grande volume di spazio, di qualsiasi simulazione esistente. Mentre alcune simulazioni modellano su grandi distanze, lo fanno a una risoluzione relativamente bassa, mentre altre simulazioni più dettagliate non coprono grandi volumi.

“Stiamo superando questi due approcci: abbiamo sia un grande volume che un’alta risoluzione”, sottolinea Vogelsberger.

Le prime analisi delle simulazioni suggeriscono che verso la fine della reionizzazione cosmica, la distanza che la luce è stata in grado di percorrere è aumentata in modo più drammatico di quanto gli scienziati avessero ipotizzato in precedenza.

“Thesan ha scoperto che la luce non viaggia per lunghe distanze all’inizio dell’universo”, dice Kannan. “In effetti, questa distanza è molto piccola e diventa grande solo alla fine della reionizzazione, aumentando di un fattore 10 in poche centinaia di milioni di anni”.

I ricercatori vedono anche indizi sul tipo di galassie responsabili della reionizzazione. La massa di una galassia sembra influenzare la reionizzazione, anche se il team afferma che ulteriori osservazioni, fatte da James Webb e altri osservatori, aiuteranno a definire queste galassie predominanti.

“Ci sono molte parti mobili dentro [modeling cosmic reionization]”, conclude Vogelsberger. “Quando possiamo mettere tutto insieme in una sorta di macchinario e iniziare a farlo funzionare e produce un universo dinamico, questo è per tutti noi un momento piuttosto gratificante”.

Questa ricerca è stata supportata in parte dalla NASA, dalla National Science Foundation e dal Gauss Center for Supercomputing.

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