Un team di ricerca internazionale ha di recente realizzato la più grande simulazione cosmologica al computer del nostro Universo. Si tratta di una delle simulazioni FLAMINGO e tiene conto non solo della materia oscura, ma anche di quella ordinaria.

Simulazioni come questa calcolano l’evoluzione di tutti i componenti dell’Universo (materia ordinaria, materia oscura ed energia oscura) secondo le leggi della fisica. Man mano che la simulazione procede, emergono galassie virtuali e ammassi di galassie. Le simulazioni hanno richiesto più di 50 milioni di ore di CPU e hanno prodotto più di 1 petabyte di dati.

Un Universo ricco e dinamico

In ambito astrofisico, e in particolar modo cosmologico, le simulazioni svolgono un ruolo chiave nell’interpretazione scientifica dei dati. Permettono di collegare le previsioni delle teorie sul nostro Universo all’enorme quantità di dati sperimentali ottenuta con i telescopi a Terra e nello spazio. E consentono anche di comprendere come questo Universo, dinamico e ricco di strutture in costante evoluzione, stia cambiando nel corso del tempo.

Le proprietà del nostro intero Universo sembrano essere in qualche modo stabilite da alcuni numeri, chiamati parametri cosmologici. I valori di questi parametri possono essere misurati con grande precisione in diversi modi, che tengono conto delle diverse componenti dell’Universo. Purtroppo, però, ci sono discrepanze tra quelli ottenuti con un metodo e quelli risultanti da un altro. Le simulazioni al computer potrebbero essere in grado di rivelare la causa di queste discrepanze.

Finora, tutte le simulazioni al computer utilizzate per il confronto con le osservazioni tenevano conto solo della materia oscura fredda. Le simulazioni che tengono conto anche della materia barionica ordinaria e dei neutrini sono molto più impegnative, e richiedono una maggiore potenza di calcolo. Infatti la materia ordinaria non risente solo della gravità, ma anche della pressione dei gas, che può far sì che la materia venga espulsa dalle galassie da buchi neri attivi e supernovae fino allo spazio intergalattico.

La forza di questi venti intergalattici dipende dalle esplosioni nel mezzo interstellare ed è molto difficile da prevedere. Inoltre, è importante anche il contributo dei neutrini, particelle subatomiche di massa molto piccola e non precisamente nota, ma il moto dei neutrini non è stato finora simulato.

Le simulazioni FLAMINGO

Le simulazioni FLAMINGO tengono conto della materia oscura, ma anche di quella ordinaria, compresi raggi X e neutrini. “L’effetto dei venti galattici è stato calibrato utilizzando l’apprendimento automatico” ha spiegato il dottorando Roi Kugel, dell’Università di Leiden. “Confrontando le previsioni di molte simulazioni diverse di volumi relativamente piccoli, con le masse osservate delle galassie e la distribuzione del gas negli ammassi di galassie”.

I ricercatori hanno simulato il modello che meglio descrive le osservazioni di calibrazione con un supercomputer, in diversi volumi cosmici e a diverse risoluzioni. Inoltre, hanno variato i parametri del modello, tra cui la forza dei venti galattici, la massa dei neutrini e i parametri cosmologici in simulazioni di volumi leggermente più piccoli, ma comunque grandi.

La simulazione più grande utilizza 300 miliardi di elementi di risoluzione, ovvero 300 miliardi diparticelle con la massa di una piccola galassia, in un volume cubico con bordi di dieci miliardi di anni luce. Si tratta della più grande simulazione cosmologica al computer con materia ordinaria mai completata. Per renderla possibile, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo codice, SWIFT, che distribuisce in modo efficiente il lavoro di calcolo su 30mila CPU.

E ora?

Le simulazioni FLAMINGO aprono una nuova finestra virtuale sull’Universo, che aiuterà a sfruttare al meglio le osservazioni cosmologiche finora effettuate e quelle che ci aspettano in futuro, grazie anche al telescopio spaziale Euclid dell’ESA.

La grande quantità di dati virtuali ottenuti dai ricercatori grazie a FLAMINGO crea l’opportunità di fare nuove scoperte teoriche e di testare nuove tecniche di analisi dei dati. Compreso il machine learning, grazie al quale gli astronomi possono fare previsioni su universi virtuali casuali. Confrontandole con le osservazioni di strutture su larga scala, possono misurare i valori dei parametri cosmologici, e le corrispondenti incertezze.

I risultati, accettati per la pubblicazione in tre diversi articoli su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, sono reperibili in versione pre-print qui:

• The FLAMINGO project: cosmological hydrodynamical simulations for large-scale structure and galaxy cluster surveys, Joop Schaye et al. 2023
• FLAMINGO: Calibrating large cosmological hydrodynamical simulations with machine learning, Roi Kugel et al. 2023
• The FLAMINGO project: revisiting the S8 tension and the role of baryonic physics, Ian McCarthy et al. 2023

Qui sono invece disponibili alcuni slider che mostrano le diverse componenti all’interno della simulazione FLAMINGO.