Gli scienziati sviluppano il modello più grande e dettagliato dell'Universo primordiale

Apr 16, 2023

Tutto ebbe inizio circa 13,8 miliardi di anni fa con un grande "bang" cosmologico che diede all'esistenza l'universo in modo improvviso e spettacolare. Poco dopo, l’universo infantile si raffreddò drasticamente e diventò completamente oscuro.

Poi, nel giro di un paio di centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, l’universo si risvegliò, mentre la gravità raccoglieva la materia nelle prime stelle e galassie. La luce proveniente da queste prime stelle trasformò il gas circostante in un plasma caldo e ionizzato, una trasformazione cruciale nota come reionizzazione cosmica che spinse l’universo nella complessa struttura che vediamo oggi.

Ora, gli scienziati possono ottenere un quadro dettagliatovista di come l’universo potrebbe essersi sviluppato durante questo periodo cruciale con una nuova simulazione, nota come Thesan, sviluppata dagli scienziati del MIT, dell’Università di Harvard e del Max Planck Institute for Astrophysicals.

Prende il nome dalla dea etrusca dell'alba, Thesan è progettato per simulare "l'alba cosmica", e in particolare la reionizzazione cosmica, un periodo che è stato difficile da ricostruire, poiché coinvolge interazioni immensamente complicate e caotiche, comprese quelle tra gravità, gas, e radiazioni.

La simulazione Thesan risolve queste interazioni con il massimo dettaglio e con il volume più ampio di qualsiasi simulazione precedente. Lo fa combinando un modello realistico di formazione delle galassie con un nuovo algoritmo che traccia il modo in cui la luce interagisce con il gas, insieme a un modello per la polvere cosmica.

Con Thesan, i ricercatori possono simulare un volume cubico dell’universo che si estende per 300 milioni di anni luce. Eseguono la simulazione in avanti nel tempo per tracciare la prima apparizione e l'evoluzione di centinaia di migliaia di galassie all'interno di questo spazio, a partire da circa 400.000 anni dopo il Big Bang e attraverso il primo miliardo di anni.

Finora, le simulazioni si allineano con le poche osservazioni che gli astronomi hanno dell’universo primordiale. Man mano che verranno effettuate più osservazioni di questo periodo, ad esempio con il telescopio spaziale James Webb appena lanciato, Thesan potrebbe aiutare a collocare tali osservazioni nel contesto cosmico.

Per ora, le simulazioni stanno iniziando a far luce su alcuni processi, come ad esempio la distanza che la luce può percorrere nell’universo primordiale e quali galassie erano responsabili della reionizzazione.

"Thesan funge da ponte verso l'universo primordiale", afferma Aaron Smith, Einstein Fellow della NASA presso il Kavli Institute for Astrofisica e ricerca spaziale del MIT. "È destinato a fungere da controparte simulativa ideale per le prossime strutture di osservazione, che sono pronte ad alterare radicalmente la nostra comprensione del cosmo."

Smith e Mark Vogelsberger, professore associato di fisica al MIT, Rahul Kannan dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ed Enrico Garaldi del Max Planck hanno introdotto la simulazione Thesan attraverso tre articoli, il terzo pubblicato nel Monthly Notice della Royal Astronomical Society .

Nelle prime fasi della reionizzazione cosmica, l’universo era uno spazio oscuro e omogeneo. Per i fisici, l’evoluzione cosmica durante questi primi “secoli bui” è relativamente semplice da calcolare.

"In linea di principio potresti risolverlo con carta e penna", afferma Smith. "Ma a un certo punto la gravità inizia a riunire e collassare la materia, dapprima lentamente, ma poi così rapidamente che i calcoli diventano troppo complicati e dobbiamo fare una simulazione completa."

Per simulare completamente la reionizzazione cosmica, il team ha cercato di includere il maggior numero possibile di ingredienti principali dell’universo primordiale. Hanno iniziato con un modello di formazione delle galassie sviluppato in precedenza dai loro gruppi, chiamato Illustris-TNG, che ha dimostrato di simulare accuratamente le proprietà e le popolazioni delle galassie in evoluzione. Hanno quindi sviluppato un nuovo codice per incorporare il modo in cui la luce delle galassie e delle stelle interagisce e reionizza il gas circostante, un processo estremamente complesso che altre simulazioni non sono state in grado di riprodurre accuratamente su larga scala.

"Thesan segue come la luce proveniente da queste prime galassie interagisce con il gas nel corso del primo miliardo di anni e trasforma l'universo da neutro a ionizzato", afferma Kannan. "In questo modo, seguiamo automaticamente il processo di reionizzazione mentre si svolge."