I più grandi misteri contemporanei che astronomi e cosmologi devono affrontare sono i ruoli che l’attrazione gravitazionale e l’espansione cosmica giocano nell’evoluzione dell’Universo. Nel tentativo di risolverli viene usato un duplice approccio: osservare direttamente il cosmo per vedere queste forze all’opera e trovare soluzioni teoriche per i comportamenti rilevati, come la materia oscura e l’energia oscura, che deve essere supportato da importanti simulazioni.

Gli scienziati, nel tentativo di combinare teorie e osservazioni, modellano l’evoluzione cosmica con simulazioni al computer per vedere se le previsioni teoriche sono in linea con le rilevazioni sul campo. Una delle ultime arrivate è AbacusSummit, una suite di simulazione creata dal Center for Computational Astrophysics (CCA) del Flatiron Institute e dall’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). Capace di elaborare quasi 60 trilioni di particelle rappresenta la più grande simulazione dell’Universo mai prodotta. I creatori di AbacusSummit l’hanno annunciata in una serie di articoli apparsi sulla Royal Astronomical Society (MNRAS): composta da oltre 160 simulazioni, modella il comportamento delle particelle in un ambiente a forma di scatola in base all’attrazione gravitazionale. Questi modelli sono noti come simulazioni N-body e rispondono al modo in cui la materia oscura interagisce con la materia barionica (o ordinaria).

La potenza di AbacusSummit

La simulazioni N-body, che consistono nel calcolare l’interazione gravitazionale tra pianeti e gli altri oggetti del cosmo, sono tra le maggiori sfide che gli astrofisici devono affrontare oggi. Ciò che lo rende enormemente complicato è che ogni oggetto interagisce con ogni altro oggetto, indipendentemente da quanto siano distanti: più oggetti vengono studiati, più interazioni devono essere prese in considerazione.

Ad oggi, non esiste ancora una soluzione per problemi di N-body in cui sono coinvolti tre o più corpi massicci, e i calcoli effettuati sono semplici approssimazioni. Ad esempio, la matematica per calcolare l’interazione di tre corpi, come un sistema stellare binario e un pianeta (noto anche come il “problema dei tre corpi”), deve ancora essere risolta. Un approccio comune con le simulazioni cosmologiche è fermare l’orologio, calcolare la forza totale che agisce su ciascun oggetto, far avanzare il tempo lentamente e ripetere.

simulazione AbacusSummit dell'Univeros
Un’istantanea di una delle simulazioni AbacusSummit, mostrata a varie scale: 10 miliardi di anni luce di diametro, 1,2 miliardi di anni luce di larghezza e 100 milioni di anni luce di larghezza. Credits: The AbacusSummit Team/ layout di Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Il team di ricerca ha progettato la base del loro codice (chiamata Abacus) per sfruttare la potenza di elaborazione parallela del supercomputer Summit, su cui viene eseguita, dove più calcoli possono essere eseguiti contemporaneamente. Hanno anche fatto affidamento su algoritmi di apprendimento automatico e su un nuovo metodo numerico che ha permesso loro di calcolare subito 70 milioni di particelle per nodo/secondo e ulteriori 45 milioni in aggiornamenti successivi.

Le indagini in corso sulle galassie stanno fornendo mappe estremamente dettagliate dell’Universo e c’è bisogno di simulazioni altrettanto ambiziose che coprano un’ampia gamma di possibili universi in cui potremmo vivere. AbacusSummit è la prima suite di tali simulazioni che ha una grandezza e accuratezza tali da poter essere confrontata con osservazioni reali.

Oltre alle solite complicazioni, l’esecuzione di simulazioni N-body complete richiede che gli algoritmi siano progettati con cura per ottimizzare la memoria coinvolta. Ciò significa che Abacus non è stato in grado di creare copie della simulazione per i diversi nodi di supercomputer su cui lavorare ma ha invece diviso ciascuna simulazione in una griglia. In pratica vengono fatti calcoli approssimativi per le particelle distanti, che svolgono un ruolo minore rispetto a quelle vicine.

Simulazione della distribuzione di materia oscura. Credits: Markus Haider / Ilustris Collaboration

In seguito le particelle vicine sono suddivise in più celle in modo che il computer possa lavorare su ciascuna in modo indipendente, infine i risultati di ciascuna vengono combinati con l’approssimazione delle particelle distanti. Il team di ricerca ha scoperto che questo approccio (in divisioni uniformi) fa un uso migliore dell’elaborazione parallela e consente di calcolare una grande quantità di approssimazione di particelle distanti già prima dell’inizio della simulazione.

Grazie al suo design, Abacus può aggiornare 70 milioni di particelle per nodo/secondo dove ogni particella rappresenta un ammasso di Materia Oscura con tre miliardi di masse solari. E può anche analizzare la simulazione mentre è in esecuzione e cercare macchie di materia oscura che indicano la presenza di galassie luminose che formano stelle.

Questi e altri oggetti cosmologici saranno oggetto di future indagini intente a mappare il cosmo con dettagli senza precedenti come il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), il Nancy Grace Roman Space Telescope (RST) e il veicolo spaziale Euclid dell’ESA: uno degli obiettivi di queste importanti missioni è migliorare le stime dei parametri cosmici e astrofisici che determinano come si comporta e come ci appare l’Universo.

I risultati ottenuti dalle missioni consentiranno a loro volta simulazioni più dettagliate che utilizzano valori aggiornati dei parametri, come quelli relativi alla materia oscura.

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