Frontier, la più imponente riproduzione del nostro Universo
di Fabio Morelli
Calcolare l’evoluzione del cosmo non significa più soltanto applicare le leggi della gravità a milioni di punti di materia oscura. Grazie alla potenza del supercomputer Frontier — l’architettura exascale installata presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti —, un team di fisici e informatici guidato dall’Argonne National Laboratory ha infranto ogni record precedente, realizzando la più vasta e complessa simulazione idrodinamica dell’Universo mai compiuta finora.
L’impresa, condotta impiegando contemporaneamente oltre 9.000 nodi di calcolo dell’infrastruttura, ha permesso di seguire la formazione e l’espansione delle strutture cosmiche all’interno di un volume di spazio virtuale di oltre 31 gigaparsec cubi, coprendo una linea temporale che va dai primi istanti successivi al Big Bang fino all’epoca contemporanea.
Questo video mostra il servizio ufficiale dell’Oak Ridge National Laboratory con le visualizzazioni in computer grafica 3D prodotte durante la simulazione cosmica su Frontier.
Oltre la sola gravità: l’integrazione della materia barionica
Il valore scientifico di questo risultato risiede nel superamento del modello cosiddetto “gravity-only”. Nelle simulazioni tradizionali, per ragioni di efficienza e vincoli di memoria, i ricercatori tendevano a calcolare unicamente le interazioni gravitazionali della materia oscura. L’esperimento condotto su Frontier ha invece integrato con successo la dinamica della materia barionica (il gas, le stelle, i buchi neri supermassicci e la radiazione), restituendo un’immagine realistica dei processi fisici ad alta energia.
Attraverso il codice HACC (Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code), affinato nell’arco di oltre un decennio di ottimizzazioni software, i ricercatori sono riusciti a modellare il riscaldamento del gas intergalattico fino a temperature di quasi 100 milioni di Kelvin, l’accrescimento dei nuclei galattici attivi (AGN) e il feedback energetico generato dalle esplosioni di supernove.
Un laboratorio teorico per la nuova astronomia osservativa
L’esigenza di disporre di simulazioni di questa portata nasce dalla necessità di interpretare l’imponente mole di dati provenienti dalle missioni osservative di nuova generazione, come il telescopio spaziale Eulid dell’ESA, l’osservatorio Vera C. Rubin e la rete di radiotelescopi Square Kilometre Array (SKA).
L’integrazione contemporanea di materia oscura e materia visibile all’interno di volumi cosmologici reali rappresenta un ponte conoscitivo fondamentale per:
- Vincolare l’energia oscura: Confrontare le mappe di distribuzione delle galassie simulate con quelle reali per comprendere la natura della spinta espansiva dell’Universo;
- Mappare il mezzo intergalattico: Analizzare la distribuzione del gas caldo tra i cluster galattici e ricostruire il ciclo della materia cosmica;
- Validare la cosmologia di precisione: Offrire ai fisici teorici un “Universo sintetico” nel quale modificare le condizioni iniziali per testare teorie alternative della gravità o la massa dei neutrini.
L’operazione condotta su Frontier segna l’ingresso definitivo della cosmologia computazionale nell’era dell’exascale, dimostrando che l’integrazione tra supercalcolo e modelli fisici ad alta fedeltà è oggi in grado di riprodurre la complessità dell’Universo visibile con un livello di dettaglio precedentemente inimmaginabile.
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