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16.000 core Intel Haswell per simulare una galassia, dal Big Bang a oggi

Dalla metà del ventesimo secolo, gli scienziati hanno iniziato a comprendere bene com’è nato l’Universo. L’espansione cosmica e la scoperta del radiazione cosmica di fondo hanno conferito credibilità alla teoria del Big Bang e al tasso di espansione accelerato che ha portato a teorie sull’energia oscura. Gli scienziati, tuttavia, necessitano di simulazioni sempre più precise per proseguire lo studio dell’universo primordiale.

La velocità delle scoperte è sempre stata limitata dalla potenza hardware a disposizione, il che significa che le simulazioni potevano essere su larga scala oppure dettagliate, ma non entrambe le cose. Un team di scienziati tedeschi e statunitensi è tuttavia riuscito a completare la simulazione su larga scala più dettagliata della storia.

TNG50 è l’ultima simulazione prodotta da IllustrisTNG, un progetto dedicato alla creazione di grandi simulazioni cosmologiche legate alla formazione delle galassie. L’elemento di novità è che evita i compromessi a cui gli astronomi erano costretti fino a oggi.

In passato le simulazioni dettagliate soffrivano di bassi volumi, il che rendeva difficile fare deduzioni statistiche sull’evoluzione cosmica su larga scala. Le simulazioni di grandi volumi, d’altra parte, mancavano dei dettagli necessari per riprodurre molte delle proprietà dell’Universo su piccola scala, il che rendeva le previsioni meno affidabili.

TNG50 combina per la prima volta l’idea di simulazioni su larga scala – il concetto di “Universo in una scatola” – con un livello di dettaglio che in precedenza era possibile solo con le simulazioni delle galassie.

Ciò è stato reso possibile dal supercomputer Hazel Hen situato a Stoccarda, dove 16.000 core hanno lavorato insieme per più di un anno. Precisamente nel supercomputer trovano spazio 15.424 processori Intel Xeon E5-2680 v3 a 2,5 GHz (Haswell a 22 nm) a 12 core (185.088 core in totale), insieme a 965 TB di RAM. Gli scienziati hanno quindi usato una frazione della potenza a disposizione.

La simulazione consiste “in un cubo di spazio che misura oltre 230 milioni di anni luce di diametro che contiene oltre 20 miliardi di particelle che rappresentano materia oscura, stelle, gas cosmico, campi magnetici e buchi neri supermassicci (SMBH)”.

Il TNG50 può anche discernere i fenomeni fisici che si verificano su scale fino a un milionesimo del volume complessivo (cioè 230 anni luce). Ciò consente alla simulazione di tracciare l’evoluzione simultanea di migliaia di galassie nel corso di 13,8 miliardi di anni di storia cosmica. I risultati della simulazione sono stati pubblicati in due articoli che sono apparsi sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Entrambi gli studi sono stati condotti dalle dott.sse Annalisa Pillepich e Dylan Nelson del Max Planck Institute.

“Esperimenti numerici di questo tipo hanno particolarmente successo quando i risultati sono maggiori di quelli programmati. Nella nostra simulazione, vediamo fenomeni che non erano stati programmati esplicitamente nel codice di simulazione. Questi fenomeni emergono in modo naturale, dalla complessa interazione degli ingredienti fisici di base del nostro modello di Universo”, ha sottolineato la dott.ssa Dylan Nelson.

TNG50 è anche la prima simulazione del suo genere a mostrare come la geometria del gas cosmico che circonda le galassie determina le loro strutture (e viceversa).