Simulazioni cosmologiche aiutaci a guardare in profondità nell’universo. Sono come un modello teorico che possiamo usare per confrontare l’universo come lo vediamo dalla Terra. Le più grandi simulazioni fino ad oggi riguardano le enormi strutture simili a reti di materia oscura nell’Universo o i dettagli, come il modo in cui le galassie e gli ammassi si formano lungo queste reti. In questo nuovo lavoro, i ricercatori dell’Istituto Max Planck di Astrofisica e delle Università di Harvard e Durham hanno riunito entrambi. La loro simulazione, chiamata “MillenniumTNG”, fornisce una base teorica per mettere alla prova il precedente modello cosmologico.
Proiezioni bidimensionali della simulazione tridimensionale MillenniumTNG nell’epoca attuale. Tre diversi livelli di zoom illustrano la dinamica della simulazione: dalla dimensione massima della simulazione di 2400 milioni di anni luce (in alto al centro) alla dimensione di una singola galassia (in basso a destra). Ciascun livello di zoom mostra le proporzioni di gas (in alto a sinistra), materia oscura (in alto a destra) e luce stellare (in basso al centro). Questo si basa sulla più grande simulazione idrodinamica ad alta risoluzione della formazione delle galassie mai realizzata fino ad oggi, con oltre 160 miliardi di elementi di risoluzione. Credito immagine: MPG
La maggior parte dell’universo è un mistero
La cosmologia dà significato alle osservazioni astronomiche dell’universo che ci circonda, con principi fisici che si applicano alla Terra così come al resto dell’universo. Questo “studio del mondo” (dal greco antico) tenta di descrivere l’universo e la sua formazione nel suo complesso – anche a distanze dalla Terra tali che non sono più visibili ai nostri telescopi. La cosmologia moderna ci dice che la materia a noi nota contribuisce solo al massimo per il 5% alla miscela cosmica. Ciò include tutti i pianeti e le stelle, che a loro volta riempiono innumerevoli galassie. La parte del leone la fa invece una materia misteriosa che è stata battezzata materia oscura. Le osservazioni indirette mostrano che deve esistere. Tuttavia, non è stato ancora rilevato direttamente. Oltre a ciò, uno strano campo di energia oscura sembra agire come una sorta di antigravità, provocando un’espansione misurabile del cosmo. Questi risultati costituiscono il modello standard della cosmologia. Descrive con successo la moltitudine di dati osservativi, dalla radiazione cosmica a microonde – il calore residuo del caldo Big Bang – alla “rete cosmica” in cui galassie e ammassi di galassie sono disposti lungo filamenti intrecciati di materia oscura.
Molto in uno
Tuttavia, l’effettiva natura fisica della materia oscura e dell’energia oscura non è ancora stata compresa, motivo per cui i ricercatori di astrofisica non stanno solo cercando di rilevare direttamente la materia oscura, ma anche di scoprire possibili lacune nel modello standard esistente della cosmologia. È importante modellare teoricamente tutte le componenti dell’universo “in una volta sola”: dalle strutture più piccole, le stelle e le galassie, alle più grandi strutture interconnesse tra gli ammassi di galassie. Se ciò dovesse rivelare contraddizioni con i dati di osservazione dei telescopi, potrebbe condurre la scienza sulle tracce di quello che forse è il più grande mistero dell’universo.
I ricercatori dell’Istituto Max Planck di Astrofisica e un team internazionale hanno ora fatto un passo avanti decisivo nella simulazione dell’universo nel modo più completo e accurato possibile al computer. Hanno dato seguito ai loro precedenti successi con i progetti “Millennium” e “IllustrisTNG” e hanno chiamato la simulazione risultante “MillenniumTNG”. Traccia la fisica della formazione delle più grandi strutture cosmiche con una precisione molto maggiore di quanto fosse possibile con i calcoli precedenti. “MillenniumTNG tiene conto dei recenti progressi nella simulazione della formazione delle galassie e descrive come le galassie si collegano alla spina dorsale della materia oscura dell’universo”, ha affermato Volker Springel, capo del team dell’Istituto Max Planck di Astrofisica.
Il gruppo di ricerca ha utilizzato uno speciale programma per computer chiamato Gadget-4. Questo programma è stato sviluppato presso l’Istituto Max Planck di Astrofisica. Con l’aiuto di Gadget-4, possono simulare le reti di materia oscura in una regione molto ampia di dieci miliardi di anni luce. Allo stesso tempo, possono studiare in dettaglio i dettagli di questa regione. Hanno anche usato un altro codice informatico chiamato Arepo per capire come si sono formate le galassie agli albori dell’universo. Possono confrontare direttamente questi modelli con le osservazioni fatte dal telescopio spaziale James Webb.
Di cosa è fatta la materia oscura?
Confronto delle distribuzioni dei neutrini (in alto) e della materia oscura (in basso), basato su un osservatore posizionato al centro di ciascuna delle due strisce orizzontali. Man mano che l’universo evolve, i neutrini si accumulano un po’ intorno alle maggiori concentrazioni di materia oscura, come mostra il confronto tra le due sezioni. Ciò aumenta leggermente la massa di queste strutture più grandi e quindi la loro crescita. Credito immagine: MPG
I calcoli effettuati nell’ambito del progetto MillenniumTNG forniscono molte nuove previsioni teoriche. Queste previsioni possono aiutare a testare ipotesi fondamentali. Ad esempio: parte della materia oscura è costituita da minuscole particelle chiamate neutrini? I neutrini sono particelle speciali difficili da rilevare e quasi prive di peso. I neutrini sono particelle frequenti nell’universo e potrebbero quindi contribuire anche solo per una piccola percentuale alla materia oscura totale. D’altra parte, le simulazioni precedenti dell’universo spesso non tenevano conto dei neutrini per ragioni di semplicità. Ma ora la simulazione è abbastanza grande da poter prevedere la loro influenza sull’evoluzione dell’universo. I ricercatori possono verificare questa previsione misurando l’universo con telescopi come il satellite Euclid dell’Agenzia spaziale europea. In questo modo potrebbero addirittura determinare la massa dei neutrini.
L’universo nel supercomputer
Il team ha effettuato i calcoli del codice MillenniumTNG su due supercomputer molto potenti: il SuperMUC-NG del Leibniz Computing Center di Garching vicino a Monaco e il computer Cosma8, gestito dall’Università di Durham per conto della britannica DiRAC High Performance Computing. facilità. Più di 120.000 core di computer hanno lavorato al SuperMUC-NG per quasi due mesi per monitorare come si formano circa 100 milioni di galassie in una regione dell’universo larga circa due miliardi di anni luce.
Utilizzando Cosma8, il team ha eseguito calcoli per una parte ancora più grande dell’universo, abbastanza grande da essere veramente rappresentativa dell’intero universo per la prima volta. In questo caso sarebbe stato troppo dispendioso in termini di tempo calcolare il modo in cui la materia forma gradualmente le galassie in piccole aree contemporaneamente. Pertanto, i ricercatori hanno utilizzato un trucco. Hanno preso i loro risultati da simulazioni accurate effettuate in una parte più piccola dell’universo e li hanno usati per prevedere come la materia e le galassie sono distribuite in aree molto grandi dell’universo.
Fonte: MPG
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
