La “macchina dell’universo” ha simulato milioni di universi virtuali per fare luce sull’evoluzione delle galassie

Come nascono galassie come la nostra Via Lattea? Come crescono e cambiano nel tempo? La scienza dietro la formazione della galassia è rimasta un enigma per decenni, ma un team di scienziati guidato dall'Università dell'Arizona ha compiuto un passo avanti verso la ricerca di risposte grazie alle simulazioni di un supercomputer.

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universi virtuali per testare la fisica della nascita delle galassie

L’osservazione delle galassie reali nello spazio può fornire solo delle istantanee sulla situazione attuale, ma i ricercatori che vogliono studiare come si evolvono le galassie nel corso di miliardi di anni devono ricorrere alle simulazioni computerizzate. Tradizionalmente, gli astronomi hanno utilizzato questo approccio per inventare e testare nuove teorie sulla formazione delle galassie, una per una.

Peter Behroozi, assistente professore presso l’UA Steward Observatory, e il suo team hanno superato questo ostacolo generando milioni di universi diversi su un supercomputer, ognuno dei quali ha obbedito a diverse teorie fisiche su come dovrebbero formarsi le galassie.

Le scoperte effettuate, pubblicate nelle comunicazioni mensili della Royal Astronomical Society, sfidano le idee fondamentali sul ruolo della materia oscura nella formazione della galassia, su come le galassie si evolvono nel tempo e su come danno alla luce le stelle.

Sul computer, possiamo creare molti universi diversi e confrontarli con quello reale, e questo ci permette di dedurre quali regole portano a risultati simili a ciò che possiamo vedere nella realtà“, ha detto Behroozi, autore principale dello studio.

Lo studio è il primo a lavorare sulla creazione di universi auto-coerenti che sono repliche esatte di quello reale: simulazioni al computer che rappresentano ciascuna una parte considerevole del cosmo reale, contenente 12 milioni di galassie e che coprono il tempo da 400 milioni di anni dopo il Big Bang ai giorni nostri.

Ogni universo “Ex-Machina” è stato sottoposto a una serie di test per valutare come apparivano galassie simili nell’universo generato rispetto al vero universo. Gli universi più simili ai nostri funzionavano tutti secondo regole fisiche di base simili a quello vero, dimostrando un nuovo potente approccio allo studio della formazione di galassie.

I risultati ottenuti dall’UniverseMachine, come gli autori chiamano il loro approccio, hanno contribuito a risolvere il vecchio quesito sul perché le galassie, ad un certo punto, cessano di formare nuove stelle anche quando hanno ancora moltissimo di idrogeno, la materia prima da cui le stelle vengono forgiate.

Le idee di maggior consenso su come le galassie formano le stelle implicano una complessa interazione tra il gas freddo che collassa sotto l’effetto della gravità in sacche dense che danno origine alle stelle, mentre altri processi contrastano la formazione delle stelle.

Ad esempio, si pensa che la maggior parte delle galassie ospiti buchi neri supermassicci nel loro centro. La materia che cade in questi buchi neri irradia enormi quantità di energia, agendo da cannelli cosmici che impediscono al gas di raffreddarsi abbastanza da collassare nei vivai stellari. Anche le stelle che terminano la loro vita in esplosioni di supernova contribuiscono a questo processo. Anche la materia oscura gioca un ruolo importante, poiché fornisce la maggior parte della forza gravitazionale che agisce sulla materia visibile in una galassia, aspirando gas freddo dall’ambiente circostante e riscaldandolo nel processo.

Tornando indietro agli albori dell’universo, ci aspettiamo che la materia oscura sia più densa, e quindi il gas sempre più caldo. Questo è male per la formazione stellare, quindi pensavamo che molte galassie nate all’inizio l’universo avrebbero dovuto smettere di formare stelle molto tempo fa“, ha detto Behroozi. “Ma abbiamo scoperto il contrario: le galassie di una determinata dimensione avevano maggiori probabilità di formare stelle a un ritmo più elevato, contrariamente alle aspettative“.

Al fine di abbinare le osservazioni delle galassie reali, ha spiegato Behroozi, la sua squadra ha creato universi virtuali in cui accadeva il contrario: universi in cui le galassie continuavano a sfornare stelle per molto più tempo.

D’altra parte, negli universi creati basandosi sulle attuali teorie, universi in cui le galassie hanno smesso di formare le stelle da molto tempo – quelle galassie apparivano molto più rosse delle galassie che vediamo nel cielo.

Le galassie appaiono rosse per due motivi. Il primo è evidente in natura e ha a che fare con l’età di una galassia – se è molto antica, si starà allontanando più velocemente, e la sua luce apparirà spostata verso il rosso dello spettro per via dell’effetto redshift. L’altro motivo è intrinseco: se una galassia ha smesso di formare stelle, conterrà un numero inferiore di stelle blu, che in genere si estinguono prima e rimarranno principalmente stelle più vecchie e rosse.

“Ma ciò che vediamo è diverso” spiega Behroozi. “Se le galassie si comportassero come pensavamo e avessero smesso già da tempo di formare stelle, il nostro universo reale sarebbe colorato nel modo sbagliato. In altre parole, siamo costretti a concludere che le antiche galassie formassero stelle in modo più efficiente di quanto pensassimo. E questo ci dice che l’energia creata dai e dalle stelle che esplodono è meno efficace nel soffocare la formazione stellare di quanto le nostre teorie prevedono“.

Secondo Behroozi, la creazione di universi virtuali di complessità senza precedenti ha richiesto un approccio completamente nuovo, non limitato dalla potenza di calcolo e dalla memoria e in grado di fornire una risoluzione sufficiente per estendere le scale dai “piccoli”, singoli oggetti come le supernovae a un grosso pezzo di l’universo osservabile.

La simulazione di una singola galassia richiede dalle 10 alle 48 operazioni di calcolo“, ha spiegato. “Tutti i computer sulla Terra messi insieme non potevano farlo in cento anni. Quindi, per simulare una sola galassia, figuriamoci 12 milioni, abbiamo dovuto seguire un sistema diverso“.

Oltre a utilizzare le risorse informatiche presso il NASA Ames Research Center e il Leibniz-Rechenzentrum di Garching, in Germania, il team ha utilizzato il supercomputer “Ocelote” nel cluster di elaborazione ad alte prestazioni UA. Duemila processori hanno analizzato i dati contemporaneamente per tre settimane. Nel corso del progetto di ricerca, Behroozi e i suoi colleghi hanno generato oltre 8 milioni di universi.

Abbiamo preso gli ultimi 20 anni di osservazioni astronomiche e li abbiamo confrontati con i milioni di universi finti che abbiamo generato“, ha spiegato Behroozi. “Abbiamo messo insieme migliaia di informazioni per vedere quali corrispondevano. L’universo che abbiamo creato sembra giusto? Ok, in caso contrario, torneremo indietro e faremo delle modifiche e ricontrolleremo.

Per comprendere ulteriormente come sono nate le galassie, Behroozi e i suoi colleghi hanno in programma di espandere l’UniverseMachine per includere la morfologia delle singole  e come le loro forme si evolvono nel tempo.

Fonte: Phys.org