A cosa servono le grandi simulazioni computerizzate dell’Universo?

L'astrofisica, a differenze delle altre branche della fisica, ha un grande problema: non è possibile costruire ed effettuare esperimenti di laboratorio, come ad esempio si fa per la fisica sub-nucleare al Cern, poiché il suo unico laboratorio è l'Universo stesso. Gli astronomi hanno così dovuto escogitare un modo per creare dei nuovi universi in cui poter testare le teorie di formazione delle galassie e delle strutture a larga scala: l'uso di simulazioni numeriche al computer. Utilizzando un parallelo, le grandi simulazioni numeriche dell'Universo sono per gli astrofisici ciò che i simulatori di volo o i simulatori da corsa sono per i piloti aeronautici o di vetture da corsa. In questo articolo esploreremo più in dettaglio cosa sono le simulazioni numeriche, come si costruiscono e che cosa gli astronomi possono imparare da esse.

Cosa sono le simulazioni numeriche in astrofisica?

In fisica, le simulazioni numeriche sono programmi al computer che implementano e risolvono le equazioni di un modello matematico che rappresenta un sistema fisico. Nel caso dell'Astrofisica, i sistemi fisici che si cercano di simulare sono in genere le singole galassie o una porzione dell'Universo.

Siccome l'Universo è costituito sia da materia oscura che da materia ordinaria, cioè fatta di protoni, neutroni ed elettroni, simulare l'Universo equivale ad inserire in un programma le equazioni matematiche che governano i comportamenti di entrambe le componenti. Questo permette di discriminare due tipi di simulazioni che gli astronomi effettuano: le simulazioni a N corpi e le simulazioni idrodinamiche.

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Una nuova finestra sull’Universo: cosa sono le onde gravitazionali e a cosa servono

Le simulazioni ad N corpi vengono in genere usate per simulare il comportamento della materia oscura poiché la sua evoluzione di posizione, velocità e massa è solo governata dalla forza gravitazionale.  Le simulazioni idrodinamiche sono invece più complesse poiché, oltre alla materia oscura, esse devono anche tener traccia di posizione, velocità, massa e stato fisico del gas che permea l'Universo e delle stelle che in esso vi abitano.

Una volta stabilite le componenti dell'Universo che si vogliono simulare, gli astronomi implementano tutte le equazioni matematiche che descrivono il comportamento di stelle, gas e materia oscura in un programma al computer attraverso i cosiddetti linguaggi di programmazione, che sono veri e propri linguaggi attraverso cui si impartiscono i comandi ad un computer. Una volta completata la scrittura del programma, esso viene eseguito, fornendo in uscita le informazioni su posizione, velocità, massa e stato fisico di gas, stelle e materia oscura a diversi intervalli temporali.

Più complessi sono i fenomeni fisici che si vogliono indagare, maggiore sarà il tempo necessario alle simulazioni per fornire delle risposte. Generalmente le simulazioni più grandi, come quelle che tentano di riprodurre la struttura a larga scala dell'Universo, necessitano l'utilizzo di supercomputer, poiché gli innumerevoli calcoli da effettuare ed equazioni da risolvere richiedono un enorme numero di processori e di memoria. Pur eseguendole su supercomputer tra i più potenti al mondo, queste simulazioni dell'Universo possono richiedere anche diversi mesi per fornire delle risposte.

Cosa possono imparare dalle simulazioni gli astronomi?

Analizzando come posizione, velocità, massa e stato fisico di gas, stelle e materia oscura evolvono nel tempo, gli scienziati possono comprendere se le equazioni che essi hanno implementato nel programma forniscono delle risposte che riproducono ciò che si osserva nell'Universo. Se la risposta è affermativa, allora vuol dire che il modello matematico che gli scienziati hanno in mente è giusto, se invece le simulazioni e le osservazioni sono in disaccordo, allora ciò implica che le equazioni usate non sono sufficienti o sono del tutto inesatte, con la conseguenza che il fenomeno fisico è ancora da comprendere appieno.

Talvolta le simulazioni vengono utilizzate anche per predire effetti o fenomeni fisici che non sono stati ancora osservati, servendo quindi da bussola che indica agli scienziati cosa ci si attende dalle osservazioni e come esse vanno impostate per poter fornire una risposta ad un certo quesito scientifico.

Le moderne simulazioni cosmologiche

Col termine simulazioni cosmologiche si indicano quelle simulazioni che tentano di riprodurre i processi fisici di una porzione significativamente grande dell'Universo su di un intervallo temporale della decina di miliardi di anni. In queste simulazioni, gli astronomi implementano equazioni di fisica stellare, di fisica dei gas e di cosmologia, ovvero equazioni della Relatività Generale applicate alla distribuzione di materia nell'Universo.

Le prime simulazioni cosmologiche risalgono agli anni '70 ed erano di tipo N corpi, limitate per lo più ad un centinaio di "particelle", cioè unità che rappresentano un gruppo di stelle, o una massa di gas o una massa di materia oscura. Con l'aumentare delle capacità computazionali dei computer, queste simulazioni si sono fatte sempre più sofisticate, raggiungendo con la Millennium Simulation un numero di "particelle" pari a 10 miliardi in un volume cubico simulato di lato pari a circa 10000 miliardi di miliardi di chilometri.

Una delle più recenti e dettagliate simulazioni cosmologiche è invece il progetto Illustris TNG. A differenza della simulazione Millennium che è di tipo a N corpi e descrive solo posizione, velocità e massa della materia oscura, Illustris TNG è una simulazione idrodinamica che contiene 15 miliardi di particelle di materia oscura, 15 miliardi di gas e 15 miliardi di stelle in un volume cubico di dimensioni simili a quello di Millennium. Attraverso questa simulazione, gli astronomi sono in grado di simulare, partendo da poche centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang, come le prime galassie si sono formate, come esse si sono fuse e raggruppate sotto la mutua attrazione gravitazionale formando la struttura a larga scala visibile nell'Universo e come le galassie si sono evolute passando da oggetti con intensa formazione stellare a oggetti costituiti solo da stelle anziane.

Le simulazioni cosmologiche hanno il pregio di permettere di osservare in diretta l'evoluzione delle strutture nell'Universo, cosa non possibile con le osservazioni che invece forniscono solo delle istantanee a diverse età. I diversi progetti di simulazioni idrodinamiche sono ricchi di materiale per il grande pubblico che mostra l'evoluzione temporale delle simulazioni e degli ingredienti che in essi vi sono contenute, quindi vi invitiamo ad visitare i diversi siti web, come quello di Illustris TNG, per ammirare gli splendidi e realistici risultati delle simulazioni cosmologiche.