Simulare l’universo

La cosmologia studia le proprietà dell’universo nel suo insieme e inoltre si occupa della sua storia evolutiva.
Probabilmente c’è stato un Big Bang, probabilmente si parla di un periodo di espansione accelerata nei primi istanti dell’universo (teoria dell’inflazione), si sono formati i primi elementi come idrogeno ed elio, eccetera eccetera fino ai giorni nostri in cui abbiamo le stelle che formano le galassie le quali a loro volta formano strutture più grandi come gli ammassi di galassie.
I calcoli con l’andare avanti della evoluzione dell’universo diventano sempre più complicati  e allora carta e penna non bastano più: ecco che arrivano i supercomputer.
Attenzione, non è un film di animazione! Stiamo parlando davvero di computer con una potenza di calcolo eccezionale grazie ai quali, adottando un certo insieme di condizioni iniziali, è possibile simulare la storia dell’universo.
Non ci credete? Allora vi fornisco qualche esempio.
Vi lascio qualche istante in compagnia di questo video:

Si tratta di una visualizzazione grafica dei risultati ottenuti dalla Millennium Simulation sviluppata al Max Planck Institute fur Astrophysik di Garching in Germania.
Ho detto visualizzazione grafica perché effettivamente quando una simulazione (propriamente, simulazione a N-corpi, poiché coinvolge un numero finito, N appunto, di particelle) finisce di girare su un supercomputer, i risultati sono i cosiddetti cataloghi di oggetti, ovvero dei file pieni di numeri in cui ogni riga elenca le caratteristiche di un oggetto (cioè massa, posizione, velocità per esempio).
Avendo a disposizione queste informazioni, alla fine della fiera, utilizzando qualche bel programma di grafica risulta possibile creare video come quello che avete appena visualizzato.
Ma cosa sono questi “oggetti” che si trovano nei cataloghi di una simulazione? Tecnicamente il loro nome è aloni di materia oscura. Bene, proviamo a capire un po’ in dettaglio di cosa stiamo parlando.
Come vi ho già detto, quando si crea una simulazione si impostano alcune condizioni iniziali tali per cui  i risultati dovrebbero riprodurre ciò che attualmente osserviamo o, se ci va, altri modelli di universo con lo scopo di testarli.
Ma cosa si simula? Si simula l’interazione gravitazionale tra “particelle” di materia oscura. Ovvero si inseriscono nella simulazione un certo numero di particelle che interagiscono tra loro solo tramite forza di gravità e si vede, con il passare del tempo, come queste particelle creano gruppi di particelle e così via. Esistono anche simulazioni che contengono la materia barionica (ovvero quella che compone di tutti noi e tutto ciò che riusciamo a vedere nell’universo) ma bisogna aggiungere anche altre leggi fisiche e quindi inevitabilmente si finisce con il complicare le cose. Comunque quello che si assume in cosmologia è che la materia oscura piano piano con il tempo si è “ammassata” fino a formare queste strutture chiamate “aloni” nelle quali poi successivamente si sono formate le galassie che oggi osserviamo. Quindi diciamo che, in un certo senso, la disposizione degli aloni di materia oscura in un catalogo che fuoriesce da una simulazione ci fornisce un’indicazione sulla distribuzione delle galassie (è più complicato ma va bene così per ora).
In sostanza, in questo post ci accontenteremo delle simulazioni che contengono solo materia oscura. Quindi le strutture che avete visto nel video di prima sono aloni di materia oscura (in cui, come abbiamo detto, si trovano le galassie).
Ora potreste chiedervi: come si arriva a quelle strutture? Come si fa a simulare l’universo se non sappiamo se esso è infinito o meno? Ottime domande.
In ogni simulazione si ha un certo numero di particelle di materia oscura che è deciso all’inizio. Inoltre, tra le condizioni iniziali si ha un parametro che descrive numericamente la densità dell’universo. Siccome la densità è massa diviso volume allora fissando le dimensioni del nostro universo da simulare otterremo la massa totale contenuta nella nostra simulazione e, siccome abbiamo il numero di particelle, ecco che finalmente siamo in grado di assegnare una massa ad ogni particella.
Un momento: fissiamo le dimensioni dell’universo? In un certo senso sì. Quello che si fa è simulare un universo di forma cubica. Ma questo non vuol dire che si suppone che l’universo sia cubico. Piuttosto si suppone che il cubo prodotto con la simulazione sia solo una porzione di universo e che se vogliamo avere tutto l’universo per intero allora non dobbiamo fare altro che affiancare al nostro cubo altri cubi uguali a quest’ultimo. Insomma, in fin dei conti si tratta di un modo pratico per tentare di riprodurre l’universo. Infatti potrebbe capitare di essere interessati a volumi più grandi di quelli prodotti dalla simulazione e quindi ecco che nasce la necessità di attribuire al nostro universo delle condizioni di periodicità. Non dimentichiamoci che stiamo parlando di una simulazione, mica di dati reali!
Ora, non ci addentreremo nei dettagli tecnici delle simulazioni (per esempio come trovare gli aloni all’interno di una simulazione, ovvero come definire i gruppi di particelle). Vi basti sapere per ora che ci sono ancora dei problemi da risolvere ovviamente visto che si tratta di un tentativo di simulazione.
Tuttavia le simulazioni rappresentano uno strumento eccezionale per studiare l’universo dal punto di vista teorico. Per esempio si può provare a cambiare le condizioni iniziali per cercare di capire quale tipo di universo riproduce meglio quello che osserviamo. Oppure si possono testare delle teorie effettuando “misure” sulle simulazioni.

Un “cubo” di universo simulato (Fonte: ned.ipac.caltech.edu).

Perché questo post? Perché anche le simulazioni fanno la loro parte nella ricerca astrofisica e quindi anche a livello divulgativo non devono essere trascurate affatto. Si tratta semplicemente di un modo pratico per studiare problemi teorici abbastanza complessi dal punto di vista analitico.
Riuscire a scrivere una simulazione in grado di riprodurre per bene i dati osservativi significherebbe essere in grado di capire molto sull’universo in cui viviamo. Non è facile, ma i ricercatori amano le sfide altrimenti non farebbero questo lavoro.

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