Il progetto illustris è una grande simulazione cosmologica di formazione delle galassie, completato alla fine del 2013, con un codice numerico d’arte e un modello fisico completo. Basandosi su diversi anni di sforzi da parte dei membri della collaborazione, la simulazione illustris rappresenta una combinazione senza precedenti di alta risoluzione, il volume totale e la fedeltà fisica. La pagina contiene descrizioni dettagliate del progetto, sia per il pubblico e ricercatori nel campo generale.
Un universo virtuale, nel quale una straordinaria quantità di numeri e dati si trasforma in spettacolari immagini di galassie: il modello più completo dell’evoluzione dell’universo racconta con un’accuratezza senza precedenti la nascita delle galassie, avvenuta 12 milioni di anni dopo il Big Bang, e ne ricostruisce l’evoluzione attraverso 13 miliardi di anni. Descritto sulla rivista Nature, l’universo virtuale è il risultato della collaborazione coordinata dal Massachusetts Institute of Technology (Mit).
Il risultato è uno strumento senza precedenti per la cosmologia perchè non si limita, come facevano i modelli precedenti, a ricostruire a distanza la ‘ragnatela cosmica’ delle galassie: questo nuovo universo virtuale scende nei dettagli e permette di viaggiare attraverso le popolazioni di galassie ellittiche e a spirale, ne analizza la composizione in modo coerente con i dati finora pubblicati nella letteratura scientifica, ricostruisce la proporzione dei gas presenti nelle diverse epoche dell’universo.
”E’ la descrizione più realistica delle proprietà delle galassie finora ottenuta”, osserva l’astrofisico Giuseppe Murante, dell’osservatorio di Trieste dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf), commentando il risultato. Il modello, spiega l’esperto, ”è il frutto di una simulazione numerica, che integra al computer le equazioni che descrivono l’universo. La traduzione in immagini della simulazione numerica non è stata affatto banale: ”il video scientifico è stato prodotto mentre la simulazione andava avanti e il risultato è spettacolare”, commenta Murante.
E’ uno strumento unico nelle mani dei cosmologi. Innanzitutto ”è una conferma ulteriore della validità delle attuali teorie cosmologiche”, osserva l’astrofisico. E’ ”un modello realistico – aggiunge – non soltanto del comportamento della materia visibile (barionica) che si aggrega nel formare le galassie, ma permette di conoscere anche il modo in cui la materia visibile agisce su quella oscura, sei volte più numerosa”. In questo, conclude l’esperto ”conferma il risultato ottenuto in passato anche nell’osservatorio di Trieste”. C’è di più: il modello ”non è una semplice riproduzione dell’universo, ma prevede dove potrebbe trovarsi la materia che non vediamo”.Il modello standard della cosmologia presuppone che la densità di massa-energia dell’Universo è dominato da forme sconosciute di materia oscura e l’energia oscura. Testando lo scenario straordinario richiede previsioni precise per la formazione della struttura della materia visibile, che è direttamente osservabile come stelle, gas diffuso e accrescimento buchi neri. Questi componenti della materia visibile sono organizzati in una ‘rete cosmica’ di fogli, filamenti, e vuoti, all’interno delle quali le unità di base della struttura cosmica – galassie – sono inserite. Per testare le nostre idee attuali sulla formazione ed evoluzione delle galassie, ci sforziamo di creare galassie simulate più dettagliate e realistiche possibile, e confrontarle con le galassie osservate nell’universo reale. Sondando i nostri successi e fallimenti, siamo in grado di migliorare ulteriormente la nostra comprensione del processo di formazione delle galassie, e quindi forse realizzare qualcosa di fondamentale sul mondo in cui viviamo.
Il progetto illustris è un insieme di simulazioni cosmologiche su larga scala, compresa la simulazione più ambizioso di formazione delle galassie ancora eseguita. Il calcolo tiene traccia l’espansione dell’universo, l’attrazione gravitazionale della materia su se stesso, il movimento o “idrodinamica” di gas cosmico, così come la formazione di stelle e buchi neri. Questi componenti e processi fisici sono tutti modellati a partire da condizioni iniziali che assomiglia molto giovane dell’universo 300 mila anni dopo il Big Bang e fino ai giorni nostri, che coprono oltre 13.800 milioni anni di evoluzione cosmica. Il volume simulato contiene decine di migliaia di galassie catturato in alto dettaglio, coprono una vasta gamma di masse, i tassi di formazione stellare, forme, dimensioni, e con proprietà che concordano bene con la popolazione di galassie osservate nell’universo reale. Attualmente stiamo lavorando per fare confronti dettagliati della nostra casella di simulazione a queste popolazioni di galassie osservate, e alcune interessanti risultati promettenti sono già stati pubblicati.
Quali sono le simulazioni idrodinamiche cosmologiche e perché sono utili?
Il Lambda Cold Dark Matter (Lambda-CDM) paradigma della cosmologia, attualmente favorita dalle osservazioni della distribuzione su larga scala delle galassie nello spazio, implica che il cosmo è pieno di tre componenti distinte: la materia normale (che termine astronomi barioni “) , la materia oscura e l’energia oscura. I modelli matematici che governano il comportamento fisico di questi componenti sono sufficientemente complesse che possono essere risolti solo proprio per molto particolare, semplificati i problemi di “prova”. Capire come l’uniforme quasi, universo primordiale si è evoluto in molti diversi fenomeni che osserviamo nel cielo notturno di oggi richiede quindi l’uso di simulazioni al computer, che può evolvere numericamente una rappresentazione di una frazione dell’universo avanti nel tempo.
Le simulazioni dell’evoluzione combinata di materia oscura e l’energia oscura, che comprendono solo la forza di gravità, sono stati eseguiti con grande successo nel corso degli ultimi decenni. Recentemente, tali simulazioni hanno raggiunto scala impressionante, compreso dell’ordine di 1 trilione di particelle, ciascuna delle quali esercita una forza gravitazionale su ogni altro. Tuttavia, tali “DM-only” simulazioni non possono prevedere la distribuzione delle galassie costituiti di materia normale, limitando fortemente la loro utilità come mezzo di collegarsi direttamente con le osservazioni. Il nostro approccio per stabilire questo collegamento è attraverso la contabilità direttamente per la componente barionica (gas, stelle, buchi neri supermassicci, ecc) in simulazioni cosmologiche che calcolano movimento fluido (“idrodinamica”), così come la gravità, in linea di principio offrendo un autoconsistente e la metodologia completamente predittiva. Ad esempio, l’immagine qui sotto mostra due galassie (su migliaia di sistemi simili), uno su ogni riga, evolvendo nel tempo da sinistra a destra, da quando l’universo era un quarto la sua età attuale, al presente. La galassia in alto mostra il massiccio, rosso, galassia ellittica che formano dopo una serie di fusioni con altri sistemi, mentre la galassia fondo rivela la formazione di una, più blu, galassia più piccola a forma di disco che formano dopo una storia meno violenta di interazioni.
Tuttavia, le grandi sfide computazionali relativi alle simulazioni della componente barionica hanno finora impedito l’adozione diffusa di questo approccio. Previsioni su larga scala della popolazione Galaxy hanno così, in passato, principalmente stati ottenuti con un metodo diverso, per cui galassie sono assegnati a vivere in specifici oggetti di materia oscura dopo la simulazione è già stata completata, e date le proprietà e le caratteristiche basate su relativamente semplici descrizioni della fisica in questione. Nella simulazione illustris perseguiamo l’approccio computazionale, con una grande scala, il volume cosmologica, modellando direttamente i componenti oscure e barioniche della materia.
Tratto da http://www.illustris-project.org/
