Gli astronomi realizzano la simulazione al computer più grande mai effettuata nel campo della cosmologia.

23 ottobre 2023

Questo articolo è stato revisionato in base al processo editoriale e alle politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo la credibilità del contenuto:

• verifica dei fatti
• pubblicazione sottoposta a revisione da esperti
• fonte affidabile
• correrezione di bozze

a cura della Royal Astronomical Society

Una squadra internazionale di astronomi ha effettuato quella che si ritiene essere la più grande simulazione cosmologica mai realizzata, tenendo traccia non solo della materia oscura ma anche della materia ordinaria (come pianeti, stelle e galassie), offrendoci uno sguardo su come potrebbe essersi evoluto il nostro universo.

Le simulazioni FLAMINGO 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 avanza, emergono galassie virtuali e ammassi di galassie. Tre articoli sono stati pubblicati sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: uno descrive i metodi, un altro presenta le simulazioni e il terzo esamina quanto bene le simulazioni riproducono la struttura su larga scala dell'universo.

Strutture come il Telescopio Spaziale Euclid recentemente lanciato dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA) e il JWST della NASA raccolgono quantità impressionanti di dati su galassie, quasar e stelle. Le simulazioni come FLAMINGO svolgono un ruolo fondamentale nell'interpretazione scientifica dei dati, collegando le previsioni delle teorie del nostro universo ai dati osservati.

Secondo la teoria, le proprietà dell'intero universo sono determinate da pochi numeri chiamati "parametri cosmologici" (sei nella versione più semplice della teoria). I valori di questi parametri possono essere misurati con grande precisione in vari modi.

Uno di questi metodi si basa sulle proprietà dello sfondo cosmico a microonde (CMB), una debole luminescenza di fondo rimasta dall'universo primordiale. Tuttavia, questi valori non corrispondono a quelli misurati da altre tecniche che si basano sul modo in cui la forza gravitazionale delle galassie curva la luce (lente gravitazionale). Queste "tensioni" potrebbero segnalare la fine del modello standard della cosmologia - il modello della materia oscura fredda.

Le simulazioni al computer potrebbero rivelare la causa di queste tensioni perché possono informare gli scienziati su possibili distorsioni (errori sistematici) nelle misurazioni. Se nessuno di questi si rivela sufficiente per spiegare le tensioni, la teoria sarà in seria difficoltà.

Fino ad ora, le simulazioni al computer utilizzate per il confronto con le osservazioni hanno tenuto traccia solo della materia oscura fredda. 'Anche se la materia oscura domina la gravità, la contribuzione della materia ordinaria non può più essere trascurata', afferma Joop Schaye (Università di Leida), capo della ricerca, 'poiché questa contribuzione potrebbe essere simile alle deviazioni tra i modelli e le osservazioni'.

I primi risultati mostrano che sia i neutrini che la materia ordinaria sono indispensabili per ottenere previsioni accurate, ma non eliminano le tensioni tra le diverse osservazioni cosmologiche.

Le simulazioni che tengono traccia anche della materia barionica ordinaria (nota anche come materia barionica) sono molto più complesse e richiedono molta più potenza di calcolo. Ciò perché la materia ordinaria - che costituisce solo il sedici percento di tutta la materia nell'universo - subisce non solo la gravità ma anche la pressione del gas, che può far sì che la materia venga espulsa dalle galassie da buchi neri attivi e supernove fino allo spazio intergalattico.

La forza di questi venti intergalattici dipende dalle esplosioni nel mezzo interstellare ed è molto difficile da prevedere. Inoltre, l'apporto dei neutrini, particelle subatomiche di massa molto piccola ma non precisamente nota, è importante ma il loro movimento non è stato ancora simulato.

Gli astronomi hanno completato una serie di simulazioni al computer che tengono traccia della formazione delle strutture nella materia oscura, nella materia ordinaria e nei neutrini. Roi Kugel (Università di Leida), studente di dottorato, spiega: 'L'effetto dei venti galattici è stato calibrato utilizzando l'apprendimento automatico, confrontando le previsioni di molte diverse simulazioni di volumi relativamente piccoli con le masse osservate delle galassie e la distribuzione del gas negli ammassi di galassie'.

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

The largest simulation uses 300 billion resolution elements (particles with the mass of a small galaxy) in a cubic volume with edges of ten billion light years. This is believed to be the largest cosmological computer simulation with ordinary matter ever completed. Matthieu Schaller, of Leiden University, said, 'To make this simulation possible, we developed a new code, SWIFT, which efficiently distributes the computational work over 30 thousand CPUs.'

The FLAMINGO simulations open a new virtual window on the universe that will help make the most of cosmological observations. In addition, the large amount of (virtual) data creates opportunities to make new theoretical discoveries and to test new data analysis techniques, including machine learning.

Using machine learning, astronomers can then make predictions for random virtual universes. By comparing these with large-scale structure observations, they can measure the values of cosmological parameters. Moreover, they can measure the corresponding uncertainties by comparing with observations that constrain the effect of galactic winds.

More information: Joop Schaye et al, The FLAMINGO project: cosmological hydrodynamical simulations for large-scale structure and galaxy cluster surveys, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2419

Roi Kugel et al, FLAMINGO: Calibrating large cosmological hydrodynamical simulations with machine learning, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad2540

Journal information: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Provided by Royal Astronomical Society