MIT presenta Lumina, la simulazione che ricostruisce i primi due miliardi di anni dell'universo

Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT), in collaborazione con altri istituti di ricerca, hanno svelato Lumina, una vasta simulazione computerizzata che ricostruisce i primi due miliardi di anni di evoluzione dell'universo. Il progetto consente di osservare il modo in cui le prime stelle e galassie si sono formate a partire dalle disomogeneità iniziali nella distribuzione della materia, analizzando al contempo i cambiamenti dello stato del gas intergalattico sotto l'effetto delle radiazioni. I calcoli necessari per questa imponente ricostruzione digitale sono stati eseguiti presso il National Laboratory di Oak Ridge (ORNL), negli Stati Uniti, sfruttando l'architettura avanzata del supercomputer Frontier.

Per portare a termine le elaborazioni, i ricercatori hanno impiegato oltre 100.000 core di processori e circa 15.000 unità di elaborazione grafica (GPU) al picco del carico di lavoro. La simulazione ha coperto una porzione cubica di spazio con un lato di circa 1,63 miliardi di anni luce, includendo al suo interno circa 432 miliardi di elementi che rappresentano la materia oscura e il gas. Secondo quanto riportato dagli autori del progetto, l'estensione del volume modellato supera di circa cento volte i parametri delle simulazioni precedenti dedicate a studi comparabili sulla storia del cosmo.

L'obiettivo principale di Lumina è fornire ai ricercatori nuovi strumenti per comprendere i processi che hanno portato l'universo fuori dalle cosiddette epoche buie cosmiche. Questo passaggio è avvenuto gradualmente con la formazione delle prime stelle, mentre la radiazione cosmica di fondo ha perso energia spostandosi verso lo spettro delle microonde. Il modello si basa su una versione avanzata del complesso software IllustrisTNG, integrato con nuovi sistemi per la modellazione del trasporto delle radiazioni. Questa configurazione permette di simulare contemporaneamente la formazione gravitazionale delle strutture, il movimento della materia, la nascita dei corpi celesti e la ionizzazione del mezzo intergalattico.

Nello specifico, la simulazione dedica particolare attenzione a due fasi cruciali della cronologia cosmica: la reionizzazione dell'idrogeno, causata dalla radiazione emessa dalle galassie e dalle stelle giovani, e la successiva ionizzazione dell'elio, processo in cui hanno giocato un ruolo determinante i buchi neri supermassicci attivi. Lumina consente di indagare questi fenomeni all'interno di un unico modello che tiene conto sia della struttura dell'universo su grande scala, sia delle singole galassie in fase di formazione.

I risultati ottenuti potranno essere messi a confronto con le osservazioni dirette effettuate dal James Webb Space Telescope e dal futuro Nancy Grace Roman Space Telescope (noto anche come Roman), permettendo di testare la validità dei modelli attuali sull'evoluzione galattica. Sebbene non si tratti di una ricostruzione visiva diretta del passato, il sistema calcola la probabile evoluzione delle strutture cosmiche basandosi su modelli fisici e condizioni iniziali predefinite. Gli autori hanno annunciato che il modello Lumina sarà reso completamente accessibile alla comunità scientifica internazionale a partire dal 2028.