Molti misteri restano sui primi miliardi di anni della storia dell’universo, l’epoca in cui il cosmo è emerso dai suoi secoli bui, con l’alba delle prime stelle e galassie. Ora gli scienziati hanno sviluppato il modello computerizzato più grande e dettagliato per aiutare a fare luce su come si è evoluto l’universo primordiale. Chiamato THESAN , in onore della dea etrusca dell’alba, le previsioni di questo nuovo progetto sul passato primordiale saranno presto verificate dai dati del James Webb Space Telescope (JWST), recentemente lanciato dalla NASA, e da altri osservatori di prossima generazione.

La prima luce delle stelle

Subito dopo il big bang, circa 13,8 miliardi di anni fa, l’universo fu riempito da una nebbia cosmica. Il calore della creazione era così grande che gli elettroni non potevano combinarsi con protoni e neutroni per formare atomi, e lo spazio era invece soffuso da una densa zuppa di plasma: particelle caricate elettricamente (o ionizzate) che disperdevano anziché trasmettere la luce. Questa nebbia cosmica si sollevò brevemente circa 380.000 anni dopo, durante la cosiddetta era della ricombinazione, quando l’universo si raffreddò a sufficienza da consentire agli atomi di congelarsi dal plasma come nubi di idrogeno gassoso otticamente trasparente ed elettricamente neutro. All’improvviso liberata, la luce del bagliore residuo del big bang balenò in tutto l’universo, che poi svanì nell’oscurità perché le stelle dovevano ancora formarsi.

L’oscurità regnò per le successive centinaia di milioni di anni fino a quando la gravità iniziò a riunire la materia in stelle e galassie. Anche allora, l’oscurità si è dissipata solo gradualmente, poiché l’intensa radiazione ultravioletta dei primi oggetti luminosi dell’universo ha reionizzato l’idrogeno neutro circostante, bruciando infine l’oscurità gassosa. Questa “epoca della reionizzazione” è durata più di mezzo miliardo di anni, ma gli scienziati sanno poco dei suoi dettagli. Quello che sanno con certezza è che la sua fine segnò il momento cosmico in cui la luce proveniente da tutto lo spettro elettromagnetico, piuttosto che la semplice frazione che poteva perforare il velo di idrogeno neutro, iniziò a viaggiare liberamente nello spazio. In poche parole, questo è stato il momento in cui l’universo è finalmente diventato chiaro per lo studio da parte di astronomi, che cercavano di imparare come si è verificata esattamente l’alba cosmica.

Questo non vuol dire che tali studi siano facili. Per vedere la luce di tempi così antichi, i ricercatori devono utilizzare i telescopi più grandi e sensibili disponibili per cercare oggetti il ​​più lontano possibile. Questo perché maggiore è la distanza di un oggetto, maggiore è il tempo impiegato dalla sua luce per raggiungere la Terra e più attenuata sarà la luce.

L’alba cosmica al computer

Un altro modo per ottenere informazioni su questa era passata è simularla sui computer. Le prime fasi della reionizzazione sono relativamente semplici da ricreare, perché l’universo era relativamente oscuro e uniforme, spiega Aaron Smith, un astrofisico del Massachusetts Institute of Technology, che ha contribuito a sviluppare THESAN. A mano a mano che la materia primordiale si smista in galassie e stelle, tuttavia, le complesse interazioni tra gravità, luce, gas e polvere diventano sempre più difficili da modellare.

“Poiché la modellazione della luce è piuttosto complicata e computazionalmente costosa, ci sono solo poche simulazioni cosmologiche che si concentrano sull’esplorazione di questa epoca”, afferma l’astrofisico Rahul Kannan dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, che ha contribuito a sviluppare THESAN. “Ognuna di queste simulazioni cosmologiche ha i propri vantaggi e svantaggi”.

THESAN è progettato per simulare l’universo primordiale in un modo senza precedenti. Alcune simulazioni cosmologiche, come le simulazioni Cosmic Dawn (CoDa) e il progetto Cosmic Reionization on Computers (CROC), hanno modellato grandi volumi a risoluzioni relativamente basse, mentre altre, come le simulazioni Renaissance e SPHINX , sono più dettagliate ma non coprire grandi distanze. Al contrario, THESAN “combina l’alta risoluzione con grandi volumi simulati”, afferma Kannan.

“Di solito c’è un compromesso tra lo studio in dettaglio della formazione delle galassie e la reionizzazione cosmica, ma THESAN riesce a fare entrambe le cose”, dice l’astrofisico John Wise del Georgia Institute of Technology, che non ha lavorato su THESAN.

Gli sviluppatori di THESAN l’hanno costruito sulla base di una vecchia serie di simulazioni chiamata Illustris-TNG, che ha dimostrato di modellare accuratamente molte delle proprietà e delle popolazioni delle galassie in evoluzione. Successivamente hanno sviluppato un nuovo algoritmo per modellare il modo in cui la luce di stelle e galassie ha interagito e reionizzato il gas circostante nei primi miliardi di anni dell’universo, dettagli che le simulazioni precedenti non hanno incorporato con successo su larga scala. Infine, il team di THESAN ha incluso un modello di come la polvere cosmica nell’universo primordiale potrebbe aver influenzato la formazione delle galassie.

“Hanno combinato due modelli all’avanguardia e ne hanno aggiunto un po’ di più: sembra davvero interessante”, afferma Risa Wechsler, cosmologa della Stanford University e direttrice del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, che non l’ha fatto partecipa a THESAN.

Milioni di ore di calcolo

THESAN è in grado di tracciare la nascita e l’evoluzione di centinaia di migliaia di galassie all’interno di un volume cubico che copre più di 300 milioni di anni luce. A partire da circa 400.000 anni dopo il big bang, prima che si pensa che siano emerse le prime stelle, la simulazione estrapola i primi miliardi di anni di storia cosmica. Per fare tutto ciò, THESAN gira su uno dei più grandi supercomputer del mondo, SuperMUC-NG , che ha eseguito i calcoli della simulazione su un equivalente di 30 milioni di ore di CPU. (Per prospettiva, quella stessa impresa computazionale richiederebbe 3.500 anni di elaborazione numerica dedicata su un tipico computer desktop.)

Un rendering della simulazione di THESAN, che mostra stelle e galassie nell’universo primordiale che interagiscono e reionizzanti le nubi di gas circostanti per creare le familiari strutture cosmiche che vediamo oggi.

“Una delle cose più interessanti per me delle simulazioni THESAN è la maggiore risoluzione”, afferma l’astrofisico Brian Welch della Johns Hopkins University, che non ha lavorato su THESAN. “Sembrano essere in grado di collegare le strutture su piccola scala all’interno delle galassie che creano fotoni ionizzanti al mezzo intergalattico su larga scala in cui quei fotoni stanno guidando l’epoca della reionizzazione. Le simulazioni possono quindi aiutare a determinare in che modo i fotoni ionizzanti stanno fuggendo dalle galassie e quindi come queste galassie stanno guidando la reionizzazione”.

Computer e telescopi

Utilizzando il telescopio spaziale Hubble, Welch e i suoi colleghi hanno recentemente scoperto la singola stella più distante finora rilevata, soprannominata Earendel , che risale a quando l’universo aveva solo 900 milioni di anni. Sebbene THESAN non possa simulare singole stelle come Earendel “poiché ciò richiederebbe una quantità eccessiva di potenza di calcolo”, può comunque far luce sulle condizioni nelle galassie in cui si stavano formando Earendel e i suoi compatrioti, dice.

I ricercatori affermano che THESAN sta già producendo previsioni sull’universo primordiale. Per esempio, suggerisce che la distanza percorsa dalla luce è aumentata verso la fine della reionizzazione molto più di quanto si pensasse in precedenza, di un fattore 10 in alcune centinaia di milioni di anni, probabilmente perché sacche dense di gas che impiegavano più tempo per ionizzare erano state perse da precedenti livelli inferiori -simulazioni di risoluzione.

Uno svantaggio di THESAN, tuttavia, è che utilizza un modello relativamente semplicistico per il gas freddo e denso nelle galassie, afferma Kannan. Il team di THESAN sta attualmente lavorando a un progetto successivo chiamato THESAN-ZOOMS per sostituire questo modello “con uno molto più sofisticato che tenga conto di molti processi fisici aggiuntivi che influiscono sulle proprietà di questo gas denso”, osserva.

Un altro difetto di THESAN è che il volume che simula è probabilmente troppo piccolo per individuare correttamente i dettagli chiave su come si è evoluto l’universo primordiale, come la dimensione e il numero di sacche di gas ionizzato trasparente, dice Kannan. Gli scienziati stanno attualmente pianificando di aumentare la simulazione a un volume 64 volte più grande tramite una serie diversificata di modifiche di ottimizzazione intese a migliorarne le prestazioni complessive, afferma.

Ipotesi e realtà

Se una qualsiasi di queste carenze faccia davvero una differenza significativa per le previsioni di THESAN potrebbe presto essere rivelato da nuove osservazioni di JWST, che è progettato per vedere le prime stelle e galassie. Le stelle e le galassie che si uniscono nel cosmo virtuale di THESAN rispecchieranno le popolazioni di oggetti antichi visti dall’ottica di JWST? I ricercatori sono ansiosi di scoprirlo. I modelli delle deboli galassie nell’universo primordiale sono molto sensibili alle incertezze in fenomeni come la formazione stellare, “che rimangono molto dibattuti”, afferma Aaron Yung, un astrofisico teorico presso il Goddard Space Flight Center della NASA, che non ha lavorato su THESAN. Le simulazioni che possono modellare con successo le galassie conosciute “possono fornire previsioni divergenti nelle deboli popolazioni.

Entro la fine di quest’anno, JWST sarà in grado di raccogliere dati sufficienti per testare THESAN quando si tratta di molte previsioni sulle proprietà delle galassie, afferma Smith. “Stiamo già lavorando con gli astronomi coinvolti con JWST per interpretare i dati che saranno disponibili quest’anno”.

“La mia intuizione mi dice che JWST corrisponderà alle statistiche delle galassie luminose modellate in CoDa, CROC e THESAN”, afferma Wise, che ha contribuito a sviluppare le simulazioni del Rinascimento. “Tuttavia, non hanno una risoluzione sufficiente per modellare galassie di piccola massa e piccole, dove Renaissance e SPHINX si abbineranno meglio”. Gli astrofisici, ragiona, molto probabilmente useranno una combinazione di entrambi i tipi di simulazioni per interpretare le osservazioni JWST di antiche galassie.

Nessuno si aspetta che THESAN o qualsiasi altra simulazione dell’epoca della reionizzazione metta tutto a posto. “La maggior parte, se non tutte, delle simulazioni fatte in quest’epoca mancano di un po’ di fisica, anche se THESAN ha una risoluzione piuttosto alta, è ancora a bassa risoluzione, rispetto ai processi fisici che si verificano effettivamente”, afferma Wechsler. “I progressi si verificano quando i dati degli osservatori e gli approfondimenti delle simulazioni funzionano di concerto. Quell’interazione è ciò che è eccitante”.

In definitiva “avremo bisogno di più di JWST per confermare il quadro completo dell’evoluzione cosmica nell’universo primordiale”, afferma Smith. “Per comprendere i vari aspetti di questa epoca è necessaria una varietà di strumenti che coprano un’ampia gamma di lunghezze d’onda”. Questi includono l’Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), lo Square Kilometer Array (SKA), il Fred Young Submillimeter Telescope (FYST), lo Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer (SPHEREx), e il prossimo osservatorio astrofisico di punta della NASA, il Nancy Grace Roman Space Telescope. Modelli computerizzati ambiziosi come THESAN potrebbero in definitiva aiutare gli scienziati a dare un senso alla marea di dati che questi progetti porteranno.

“THESAN mira a fare previsioni per il maggior numero possibile di queste osservazioni”, osserva Smith. “Le discrepanze con i dati sono spesso altrettanto eccitanti perché questo ci dice che i nostri modelli sono carenti, costringendoci a riconsiderare la fisica alla base di questi processi complessi”.

*Charles Q. Choi