Tutto l’Universo osservabile in una simulazione

Realizzata la più potente e grande rappresentazione del Cosmo

Un "fotogramma" della simulazione Uchuu.

L’astrofisica contemporanea ormai non può prescindere dalle simulazioni N-corpi ad alta risoluzione con cui, grazie all’enorme potenza di supercomputer, può essere riprodotta un’ampia gamma di fenomeni e la loro evoluzione passata e futura. È grazie alle simulazioni che possono essere studiati fenomeni altrimenti lentissimi e seguirli con una sorta di visione accelerata.

Anche i planetari che tutti quanti usiamo nei nostri PC, non sono altro che simulatori in grado di ricostruire, con grande realismo, l’aspetto del cielo anche molto indietro nel tempo oppure nel lontano futuro. Nonostante il grande livello di complessità, questi software permettono appena un’accurata visione del cielo locale, dipendente dai dati riguardanti un numero abbastanza grande di stelle.

Cosa accade se allarghiamo questa vista a tutto l’universo osservabile?

Non conosciamo la mappa dettagliata delle singole galassie nell’Universo Locale o la distribuzione di tutti i gruppi o superammassi di galassie, ma ponendo le opportune condizioni iniziali, le simulazioni permettono la ricostruzione del percorso seguito dall’Universo per diventare come adesso lo vediamo. In particolare può essere meglio compreso il ruolo rivestito dalla misteriosa e preponderante materia oscura che lo permea e ne condiziona profondamente l’evoluzione futura.

Grazie alle simulazioni cosmologiche, giusto come esempio, possiamo avere un’idea di come interagiranno la Via Lattea e M31 quando si fonderanno insieme tra circa 5 miliardi di anni, oppure come una grande galassia con il suo alone di materia oscura interagisce con un particolare sistema stellare satellite. Le grandi simulazioni permettono perfino di comprendere fenomeni che sfuggono a un’immediata spiegazione, com’è accaduto di recente per le galassie nane ultradiffuse isolate.

È abbastanza intuitivo che l’accuratezza di tali simulazioni è strettamente vincolata oltre che alla potenza di calcolo anche al numero di particelle ingaggiate negli esperimenti.

Un gruppo internazionale ha adesso generato quella che può essere considerata la più potente e grande simulazione N-corpi ad alta risoluzione. Utilizzando per un anno le 40.200 CPU di ATERUI II, il supercomputer più potente al mondo dedicato all’astronomia, è stata creata la suite di simulazioni denominata Uchuu (in Giapponese “Spazio Esterno”), consiste di 2,1 trilioni di particelle di materia oscura in un cubo computazionale con lato di 9,63 miliardi di anni luce, pari a circa ¾ la distanza delle più lontane galassie primordiali osservabili. Shin-Uchuu (“Mente Universo”), invece, consiste di 262 miliardi di particelle di massa maggiore e a risoluzione più bassa.

Una dimostrazione grafica delle potenzialità esibite da Uchuu nel visualizzare la ricca struttura a grande e piccola scala dell’Universo.
(Ishiyama et al. 2021)

Combinando queste simulazioni possiamo seguire l’evoluzione degli aloni e sub-aloni di materia oscura rispettivamente intorno alle galassie maggiori e quelle nane, dalla scala locale sino a comprendere ammassi, superammassi e l’intera struttura dell’Universo negli ultimi 13,6 miliardi dopo la fine dell’Era Oscura: un intervallo pari a tre volte il tempo trascorso dalla formazione del Sistema solare. Uchuu è una macchina del tempo virtuale che permette di scattare istantanee della situazione esistente in un qualsiasi momento, ingrandendo e riducendo a piacere sino alla scala galattica.

Abbiamo scritto “possiamo” perché Uchuu Data Release 1, al pari di altre rassegne e sondaggi, è liberamente fruibile da chiunque. L’uso non è semplice e nemmeno intuitivo, tuttavia chi abbia l’imprescindibile preparazione in fatto di modello cosmologico standard ΛCDM (Costante Cosmologica + Materia Oscura Fredda), può utilizzare i dati per compiere ricerche di vario tipo riguardanti l’evoluzione delle galassie e la cosmologia. L’utente avrà a disposizione, come spiega Tomoaki Ishiyama, professore associato presso l’Università di Chiba che ha sviluppato il codice, 3 Petabyte di dati, l’equivalente di 894.784.853 immagini da un telefono cellulare da 12 megapixel!

Non sarà comunque necessario scaricare tale massa di dati poiché è stato approntato un catalogo in anteprima da 100 Terabyte, disponibile nel cloud ospitato dall’Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), il gruppo RedIRIS e il Galician Supercomputing Center (CESGA).

Il team di ricercatori provenienti da Giappone, Spagna, Stati Uniti, Argentina, Australia, Cile, Francia e Italia, per ora rende disponibili pubblicamente vari prodotti N-corpi come parte di Uchuu DR1 sul sito Skies & Universes

Le versioni future includeranno mappe di lenti gravitazionali e cataloghi di simulazioni di galassie, ammassi di raggi X e nuclei galattici attivi.

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