IllustrisTNG: la più grande simulazione dell'Universo mai realizzata

Grazie a nuovi modelli di calcolo e a uno dei più potenti computer al mondo è possibile ricostruire l'evoluzione di fenomeni passati, presenti e futuri su scala cosmica.

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Grazie a nuovi metodi e a un potente super computer si riesce a simulare il "comportamento" dell'Universo come mai prima. | Nasa

Grazie a nuovi sistemi di calcolo e a uno dei più potenti computer al mondo, si è riusciti a creare la più precisa simulazione su grande scala dell'Universo che sia mai stata prodotta. I risultati, ovviamente basati sui dati forniti, permettono di studiare come i buchi neri influenzano la materia oscura, come si sono formati gli elementi pesanti, come sono nate e interagiscono tra loro e al loro interno le galassie, come si sono formati e distribuiti i campi magnetici nell'Universo...

 

Illustris: The Next Generation. IllustrisTNG è il nome del nuovo modello di simulazione sviluppato da un team internazionale di fisici e astrofisici coordinati da Volker Springel, dell’Istituto per gli studi teoretici di Heidelberg.

 

Il colore delle linee e dei punti di questa immagini visualizza la temperatura media del gas della materia ordinaria (più è chiara e più è calda) in una porzione di Universo con un lato maggiore di 1,2 miliardi di anni luce | IllustrisTNG

Spiega Shy Genel, del Centro di astrofisica computazionale di New York, che «quando si osservano le galassie utilizzando un telescopio si possono misurare solo determinate caratteristiche: con la simulazione che abbiamo messo a punto è invece possibile ricostruire l'intera loro storia, dalla formazione alla struttura attuale». In questo modo, ad esempio, è possibile ricostruire la struttura della nostra galassia, la Via Lattea, al momento in cui si formò la Terra e come potrebbe cambiare in un futuro lontano.

 

Su un altro aspetto delle potenzialità di IllustrisTNG, Mark Vogelsberger, del Dipartimento di fisica del MIT, aggiunge che «permette di esplorare i campi magnetici che attraversano l'Universo in un modo che nessuna simulazione cosmologica precedente aveva mai permesso di fare».

 

I tre report scientifici sui primi risultati ottenuti con IllustrisTNG:
# materia e cluster di galassie # colori visibili delle galassie # masse stellari e cluster di galassie

 

VIDEO Questa simulazione mostra l'intensità del campo magnetico interstellare: dove è blu o viola i campi magnetici disposti lungo la ragnatela di gas nello spazio hanno intensità bassa, dove è arancio e bianco l'intensità è elevata. L'articolo prosegue dopo il video. | IllustrisTNG

 

Che cos'è una simulazione? È opportuno sottolineare che una simulazione è un'elaborazione sulla base dei dati forniti. Per esempio: definite le condizioni iniziali e l'insieme delle regole, può predire l'evoluzione di un sistema (che sia una popolazione di batteri o l'intero Universo); è possibile mettere alla prova ipotesi e teorie, oppure - procedendo al contrario - dati i risultati e le regole, definire quali condizioni iniziali porterebbero a quei risultati.

 

Il cubo da un miliardo di anni luce. IllustrisTNG è l'evoluzione di Illustris, un sistema di simulazione che "lavorava" su di una porzione di Universo a forma di cubo di circa 350 milioni di anni luce di lato, mentre la versione TNG lavora su di una regione di Universo ancora a forma di cubo, ma con i lati di circa un miliardo di anni luce.

 

Le prime simulazioni sono state applicate alla distribuzione dei gas e della materia oscura (partendo dal presupposto che esista), e i risultati confermano le osservazioni effettuate con altre metodologie. Secondo i ricercatori le simulazioni mostrano un elevato grado di realismo e permettono di prevedere come la "ragnatela cosmica" di materia e gas tra una galassia e l'altra cambierà nel tempo.

 

Un altro oggetto di studio per IllustrisTNG sono i buchi neri: «Con il nuovo sistema di modellizzazione abbiamo già ottenuto informazioni molto importanti sull'influenza che i buchi neri hanno sulla formazione delle stelle», spiega Dylan Nelson, dell'Istituto Max Planck (Germania).

 

Visualizzazione dell'intensità delle onde d'urto del gas cosmico (blu) attorno a strutture di materia oscura (arancione/bianco). Quando il gas colpisce i filamenti e le galassie viene accelerato e si formano delle onde d'urto simile a un boom sonico che qui viene evidenziato da dei colori | IllustrisTNG

Generalmente le galassie, nello stadio iniziale della loro esistenza, danno origine a un gran numero di stelle blu molto brillanti (vedi l'Atlante dei colori delle stelle), finché, quasi improvvisamente, si blocca il meccanismo di formazione stellare.

 

IllustrisTNG ha mostrato che l'unica entità fisica in grado di estinguere la formazione stellare nelle grandi galassie sono i buchi neri supermassicci al centro delle galassie stesse: gigantesche fuoriuscite di energia a velocità stimate al 10% della velocità della luce sembrano in grado di bloccare la formazione di nuovi sistemi stellari (vedi anche: I buchi neri comandano la formazione stellare).

 

Infine, un altro ambito di studio di queste prime simulazioni riguarda ciò che avviene quando avvengono collisioni tra galassie: questi eventi sono rivelati da deboli bagliori di fondo nella luce stellare della nuova galassia che si forma in seguito allo scontro, bagliori difficili da osservare direttamente proprio a causa della bassa luminosità. IllustrisTNG può simulare esattamente l'evento, e in questo modo "dire" agli astronomi dove e che cosa cercare (vedi anche: 12 galassie lontane lontane...).

 

VIDEO Confronto della distribuzione di gas intergalattico che si osserva nel modello IllustrisTNG (a sinistra) e con la precedente versione di Illustris (a destra). Le aree scure hanno bassa densità, quelle giallo/verdi alta densità. Il video mostra l'evoluzione temporale di una regione a forma di cubo con un lato di circa 32 anni luce. L'articolo prosegue dopo il video. | IllustrisTNG

 

Super computer. Le simulazioni sono state elaborate al centro di calcolo dell'High-Performance Computing Center di Stoccarda (Germania): per ogni singola simulazione sono stati impegnati oltre 24.000 processori per più di 2 mesi. «Le elaborazioni hanno prodotto oltre 500 terabyte di dati», sottolinea Volker Springel: «questa gigantesca quantità di informazioni ci terrà impegnati per anni e certamente ci porterà a nuove intuizioni dei processi astrofisici.»

 

2 febbraio 2018 | Luigi Bignami