Due simulazioni dell'universo da record tracciano 13,4 trilioni di particelle di materia oscura
I cosmologi hanno un problema che suona quasi come un paradosso: più i loro telescopi migliorano, più diventa difficile interpretare ciò che vedono. La materia oscura, la sostanza invisibile che si ritiene costituisca la maggior parte della massa dell’universo, non emette luce propria. La sua struttura diventa visibile solo indirettamente, attraverso il modo in cui piega la luce e modella i luoghi in cui si formano le galassie. Per collegare queste osservazioni alla teoria, i ricercatori costruiscono vasti universi virtuali e li lasciano evolvere.
È ciò che un team del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti presso l’Argonne National Laboratory ha appena fatto su una scala senza precedenti. Utilizzando Aurora, uno dei primi supercomputer exascale al mondo, gli scienziati hanno completato le due più grandi simulazioni cosmologiche mai eseguite, secondo un annuncio riportato dal media cinese Science and Technology Daily. Ogni simulazione ha seguito l’evoluzione di 13,4 trilioni di particelle di materia oscura in una regione larga 28,6 miliardi di anni luce.
Il numero è difficile da immaginare. Per confronto, le precedenti simulazioni di punta tracciavano particelle nell’ordine di miliardi o di pochi trilioni. Passare a oltre 13 trilioni di particelle in un’unica esecuzione significa che il cosmo virtuale può risolvere strutture molto più fini, piccoli ammassi di materia oscura che altrimenti potrebbero confondersi in una foschia statistica. Queste piccole strutture contano perché lasciano impronte su come le galassie si raggruppano e su come la materia oscura distorce la luce di oggetti lontani.
Le simulazioni mirano a un obiettivo chiave: l’inflazione cosmica, la teoria secondo cui l’universo primordiale attraversò un breve e violento scoppio di espansione. Quel processo avrebbe dilatato minuscole fluttuazioni quantistiche fino a farne i semi della struttura su larga scala odierna. Confrontando universi simulati con diversi scenari di inflazione con osservazioni reali, gli astronomi possono restringere quali versioni della teoria sopravvivono.
C’è anche un vantaggio pratico. Una nuova generazione di survey del cielo sta mappando miliardi di galassie e misurando sottili distorsioni nelle loro forme. Queste survey producono enormi set di dati, e per estrarne informazioni cosmologiche servono previsioni teoriche altrettanto enormi. Le esecuzioni di Aurora sono destinate a servire come biblioteca di riferimento per quell’analisi, aiutando i ricercatori a separare i segnali genuini dal rumore e dagli artefatti di modellazione.
Il calcolo exascale, ovvero macchine capaci di più di un quintilione di calcoli al secondo, è stato un traguardo a lungo inseguito. Aurora, con sede ad Argonne vicino a Chicago, è tra i primi sistemi a superare quella soglia. La cosmologia è diventata uno dei suoi carichi di lavoro di punta, poiché le simulazioni della sola gravità della materia oscura sono computazionalmente impegnative ma relativamente pulite da modellare, il che le rende un test di stress ideale per il nuovo hardware.
Per i lettori globali, la storia è un promemoria che l’astronomia moderna è sempre più un’impresa computazionale. I telescopi raccolgono i fotoni, ma i supercomputer li trasformano in comprensione. Man mano che gli osservatori in Cile, alle Hawaii e infine nello spazio generano cataloghi di galassie sempre più grandi, il collo di bottiglia si sposta dalla raccolta dei dati alla loro interpretazione.
I risultati del team di Argonne sono ancora simulazioni, non scoperte, e il loro valore scientifico dipenderà da quanto bene corrispondono alla realtà. Ma ogni raddoppio del numero di particelle avvicina un po’ di più l’universo virtuale a quello reale, e le più grandi strutture del cosmo vengono ora ricreate su una macchina in Illinois, una particella alla volta.