IllustrisTng, la madre di tutte le simulazioni

Annalisa Pillepich, ricercatrice a Heidelberg, in Germania, al Max Planck Institute for Astronomy, e membro del team che ha progettato IllustrisTng

«Sono nata e cresciuta a Biella, in Piemonte, dove ho frequentato il liceo scientifico tecnologico. Poi sono andata a Pisa a studiare fisica teorica grazie a una borsa della Fondazione Collegio Puteano. Dopodiché, dottorato all’Eth di Zurigo, quindi quasi sei anni di da ricercatrice postdoc negli Stati Uniti, prima in California, Santa Cruz, e poi ad Harvard. Un paio di anni fa si aprì un concorso per una posizione a tempo determinato in Germania, al Max Planck per l’astronomia, a Heidelberg, come capo di un gruppo di ricerca. Mi è andata bene. Ma dispiace non essere in Italia…»

Così Annalisa Pillepich, classe 1981, riassume la sua storia di ricercatrice. Una storia simile a molte altre sfiorate qui su Media Inaf. Una storia eccezionale. Come eccezionale è il team del quale Pillepich è entrata a far parte – prima a Harvard e ora a Heidelberg. Ed eccezionale è la simulazione che, con questo team, ha messo a punto nel corso degli ultimi anni: in breve, una simulazione di tutto. O meglio, di tutta la storia di tanto universo: un cubo da un miliardo di anni luce di lato, nel quale hanno osservato dipanarsi, come in un film, il racconto del cosmo fotogramma per fotogramma. Dal big bang ai giorni nostri.

Approdati in tre articoli su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (uno dei quali porta come prima firma proprio quella di Pillepich), i risultati di Illustris-The Next Generation – questo il nome del progetto – nulla hanno da invidiare a un film, anche dal punto di vista puramente estetico: i video che traducono in immagini i miliardi di numeri che si avvicendano dentro a quel cubo magico, disponibili in rete anche a 4K, sono di una bellezza quasi commovente. Si vedono le linee di forza del campo magnetico interstellare allungarsi come sinapsi lungo i filamenti della rete cosmica, le galassie prendere forma, il gas intergalattico addensarsi e la luce delle stelle distribuirsi. Ma quale matematica e fisica c’è dietro? Lo abbiamo chiesto alla stessa Annalisa Pillepich.

Il vostro progetto, IllustrisTng, è descritto come una serie di “simulazioni magnetoidrodinamiche cosmologiche”. Che cosa significa?

«Nelle nostre simulazioni calcoliamo le interazioni tra materia oscura, gas cosmico, stelle, buchi neri supermassicci e… campi magnetici. L’universo è permeato di gas, principalmente idrogeno ed elio, dal quale si formano le stelle. La dinamica del gas dipende non solo dalla gravità ma anche dalla fluidodinamica: ebbene, se ci fermassimo qui, allora parleremmo di simulazioni cosmologiche idrodinamiche. Ma con IllustrisTng abbiamo fatto un grande passo in più: risolviamo una combinazione delle equazioni della fluidodinamica con le equazioni di Maxwell dell’elettromagnetismo per predire il moto e le proprietà del gas cosmico quando si comporta come un plasma, ovvero ha una carica elettrica ed è un conduttore. In pratica, possiamo calcolare l’evoluzione dei campi magnetici cosmici. La loro esistenza è stata verificata nelle galassie, intorno alle galassie, nel mezzo gassoso tra le galassie che formano gli ammassi supermassicci. Con le nostre simulazioni abbiamo dimostrato come questi campi magnetici, osservati nell’universo odierno, si sono formati e amplificati, e come le linee di campo magnetico si sono aggrovigliate nel corso di miliardi di anni, in concerto con il moto complesso e turbolento del gas che costituisce le galassie e il mezzo intergalattico».

Tre simulazioni del progetto a confronto: TNG50, TNG100 e TNG300. Il numero si riferisce, in megaparsec, al lato del volume simulato: 300 megaparsec equivalgono a circa un miliardo di anni luce. In ognuna è mostrata la densità della materia oscura

Scrivete che, a oggi, IllustrisTng è la più completa simulazione di questo tipo mai prodotta. Cioè?

«IllustrisTng comprende al momento due simulazioni principali. La più grande di esse è attualmente la più esaustiva per la combinazione di tre fattori: l’insieme dei meccanismi fisici inclusi nel modello, il volume del cubo simulato (quasi un miliardo di anni luce per lato) e il numero di elementi di risoluzione (più di 30 miliardi di elementi). Il grande volume ci permette di simulare, tra gli altri, oggetti rari, come gli ammassi di galassie, ci cui ne abbiamo circa 280 al tempo attuale. In confronto, la simulazione precedente sulla quale si è fondato tutto il progetto IllustrisTng, Illustris – completata circa quattro anni fa, e che abbiamo ripetuto con il nuovo modello – ha riprodotto un volume di 360 milioni di anni luce per lato con 12 miliardi di elementi, campionando una decina di ammassi».

Immagino che non vi sia stato sufficiente un pc portatile, per farla funzionare…

«Per la simulazione principale di IllustrisTng, 24mila processori del supercomputer Hazel Hen, a Stoccarda, hanno lavorato per oltre due mesi: l’analogo volume che abbiamo simulato includendo solo la materia oscura e l’effetto della gravità (la controparte puramente “N-body”, con 15 miliardi circa di elementi di materia oscura ma ignorando la magnetoidrodinamica, il gas, la formazione stellare e senza fisica delle galassie), è costata circa 30 volte in meno in tempo di calcolo».

Fra i risultati scientifici di IllustrisTng, questi pubblicati ora in tre articoli su Mnras, c’è il calcolo del modo in cui i buchi neri supermassicci influenzano la distribuzione della materia oscura. Una relazione che più “dark” non si potrebbe… cosa ne è emerso?

«In generale, troviamo che le predizioni di calcoli basati solo sulla materia oscura e la gravità (simulazioni N-body) potrebbero dover essere riviste in modo sostanziale, per via degli effetti indiretti della cosiddetta materia barionica e dei fenomeni che determinano l’evoluzione delle galassie. Mi riferisco a nuove, diverse predizioni teoriche relative alla dinamica e distribuzione della materia oscura nelle parti centrali degli aloni dove risiedono le galassie, così come alla distribuzione di quest’ultime e della materia oscura stessa nello spazio su scale più estese. In particolare, in uno degli articoli che abbiamo pubblicato, abbiamo mostrato che i fenomeni che governano la fisica delle galassie, come i venti di gas innescati dalle esplosioni di supernova e dall’attività dei buchi neri, modificano l’ampiezza e la forma funzionale delle correlazioni spaziali della materia oltre il 10-15 per cento in più rispetto alle predizioni precedenti: tale modifica sistematica dovrà essere presa in considerazione per l’interpretazione delle imminenti misure ed esperimenti cosmologici il cui goal è capire la natura dell’energia oscura, e che richiedono un’accuratezza all’ordine del per cento».

Simulazione del contenuto stellare dell’universo a grande scala

Ma nelle vostre simulazioni provate anche a tenere conto di teorie alternative al modello cosmologico standard – quello “classico” con energia e materia oscure?

«Nel progetto IllustrisTng siamo, come dire, “tradizionali”. Il nostro approccio di partenza è il modello cosmologico standard, dove il budget dell’universo è dominato dall’energia e materia oscure e la relatività generale descrive le leggi della gravitazione. In particolare, la materia oscura in IllustrisTng è fredda. E questo comporta specifiche ipotesi sulla distribuzione della materia alle origini del tempo, subito dopo il Big Bang, che sono il punto di partenza concreto dei nostri modelli. C’è ancora moltissimo da capire e quantificare nel settore dell’evoluzione galattica rimanendo nei confini del modello cosmologico standard. Ma, in effetti, i nostri calcoli si possono fare anche partendo da diverse assunzioni, e sforzi in tal senso sono pure fondamentali. Alcuni membri del nostro team sono specializzati in simulazioni con diversi tipi di materia oscura, per esempio la materia oscura “calda” o “auto interagente”, di cui studiano gli effetti e le differenze con le altre ipotesi. Tuttavia, a questo scopo finora sono state realizzate e utilizzate simulazioni su volumi molto più piccoli di IllustrisTng, o simulando poche manciate di galassie, una alla volta».

Il codice è open source?

«Il codice di IllustrisTng, che si chiama Arepo, non è al momento open source, ma il suo ideatore –nonché principal investigator dell’intero progetto IllustrisTng, il professor Volker Springel – si è impegnato a renderlo disponibile alla comunità scientifica in futuro. Nel frattempo, stiamo preparando la public data release di tutti i dati (più di 500 terabytes) che sono stati prodotti dalle nostre simulazioni. Inoltre, abbiamo già messo a disposizione IllustrisTng a decine di ricercatori al di là dei nostri team scientifici, in tutto il mondo, e la data release renderà tutto ancora più accessibile. Infatti, chiunque è invitato a usare i risultati della simulazione che il mio team realizzò qualche anno fa, Illustris, e che ha costituito il fondamentale punto di partenza di IllustrisTng: Illustris è interamente pubblica (circa 265 terabytes di dati) ed è disponibile a pubblico e scienziati grazie a un’interfaccia web ideata e realizzata da un uno dei nostri team members, Dylan Nelson».

Veniamo alle immagini e ai video che avete prodotto: alcuni sono di notevole impatto, anche dal punto di vista estetico. Siete solo scienziati, nel vostro team, o ci sono anche grafici e artisti?

«Il nostro gruppo è costituito da ricercatori con un background accademico principalmente in fisica o astrofisica. Un paio di persone nel team, Mark Vogelsberger e Dylan Nelson in particolare, sono davvero uniche quanto a visualizzazioni dei dati, e autodidatte sia nell’aspetto tecnico sia estetico. Purtroppo al momento non siamo in contatto con grafici o artisti, ma certamente una tale possibilità aprirebbe le porte a visualizzazioni ancora più interessanti».

Per saperne di più:

Guarda uno dei video prodotti dal progetto:

Fonte: IllustrisTng, la madre di tutte le simulazioni

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