Come si è “acceso” l’universo? La simulazione che ricostruisce l’inizio

Sembra una ragnatela luminosa: filamenti sottili, nodi brillanti e grandi spazi vuoti. L’immagine diffusa dallo Smithsonian, realizzata da Oliver Zier del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, rappresenta una regione del cosmo larga circa 650 milioni di anni luce. È una visualizzazione di Lumina, la simulazione dell’universo primordiale descritta su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. I filamenti mostrano la distribuzione della materia oscura; i toni arancioni e gialli evidenziano le zone in cui il gas si muove più velocemente fra gli ammassi di galassie. I colori traducono dunque grandezze fisiche calcolate, anziché riprodurre ciò che vedrebbe un occhio umano

Per costruire questa mappa, i ricercatori hanno fatto evolvere un universo digitale: un cubo di 500 megaparsec di lato, circa 1,6 miliardi di anni luce misurati su una scala che tiene conto dell’espansione cosmica. Al suo interno, 432 miliardi di elementi numerici rappresentano gas e materia oscura. Il programma calcola come la gravità aggrega la materia, come il gas si muove e come la radiazione interagisce con ciò che incontra. La formazione delle stelle e l’attività dei buchi neri sono descritte attraverso modelli fisici: la risoluzione non arriva a seguire ogni singola stella.

L’obiettivo è ricostruire una trasformazione decisiva: la reionizzazione. Quando si accesero le prime stelle, la loro radiazione ultravioletta cominciò a strappare elettroni agli atomi di idrogeno neutro presenti fra le galassie. Si formarono regioni ionizzate che crebbero e si unirono. Lumina segue anche una trasformazione successiva dell’elio, alimentata dalla radiazione più energetica emessa dalla materia che cade verso i buchi neri supermassicci. Parlare di un universo che “si accende” è efficace, purché non si immagini un interruttore: il processo avvenne in tempi diversi da una regione all’altra.

La difficoltà è tenere insieme scale enormemente diverse e processi che si modificano a vicenda. Le galassie producono radiazione; questa riscalda e ionizza il gas, cambiando a sua volta le condizioni in cui possono nascere altre stelle. Occorre seguire questi scambi dentro le galassie e attraverso distanze cosmiche. Un volume sufficientemente grande serve anche a includere sorgenti rare, come i quasar, e a evitare che una piccola regione venga scambiata per un campione rappresentativo dell’universo.

Il calcolo è stato eseguito su Frontier, il supercomputer dell’Oak Ridge National Laboratory, impiegando oltre 105mila core di elaborazione. Coordinare i processori e trasferire continuamente i dati è parte della sfida, insieme alla fisica. Il risultato offre agli astronomi un universo simulato da confrontare con le osservazioni del James Webb: verificando dove previsioni e misure coincidono, e dove invece occorre rivedere i modelli. Qui trovate le simulazione.