Due simulazioni cosmologiche hanno modellato 13.400 miliardi di particelle di materia oscura in una regione dell’universo larga 28,6 miliardi di anni luce. Realizzate sul supercomputer Aurora, hanno richiesto circa quattro giorni ciascuna e prodotto dati che serviranno a studiare le condizioni iniziali dell’universo e a preparare l’analisi di future osservazioni astronomiche.
Il lavoro è stato condotto da Nicholas Frontiere, scienziato computazionale dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Il gruppo ha usato 8.100 nodi di calcolo e circa 50.000 unità di elaborazione grafica (GPU) per ciascuna simulazione, completando nello stesso arco di tempo anche gran parte dell’analisi dei dati.
L’obiettivo è indagare l’inflazione cosmica, la fase di espansione estremamente rapida che, secondo l’ipotesi oggi centrale in cosmologia, si sarebbe verificata poco dopo il Big Bang. La fisica che avrebbe guidato questo processo, però, non è ancora nota con certezza. Durante l’inflazione, minuscole fluttuazioni quantistiche potrebbero essersi estese su distanze enormi; nei miliardi di anni successivi, la gravità avrebbe amplificato le differenze di densità, contribuendo a formare la rete cosmica di galassie e materia oscura che osserviamo oggi.
La materia oscura non emette né riflette luce in modo osservabile, ma la sua gravità influenza la distribuzione delle galassie. Nelle simulazioni, le particelle rappresentano la densità e il movimento della materia oscura, permettendo di ricostruire come si sono evolute le strutture dell’universo. Per approfondire il tema, uno studio ha esaminato la materia oscura negli ammassi di galassie.
I ricercatori cercano in particolare la cosiddetta non gaussianità primordiale: piccole deviazioni dalla distribuzione statistica semplice prevista dai modelli standard dell’inflazione. Se individuate, potrebbero aiutare a distinguere tra diverse spiegazioni dell’inflazione e a ricostruire meglio le condizioni iniziali dell’universo. Il segnale atteso è però debole e potrebbe essere confuso con la varianza cosmica, cioè l’incertezza statistica dovuta al fatto che possiamo osservare soltanto una porzione finita dell’universo. Per affrontare il problema servono simulazioni che coprano volumi molto ampi e, allo stesso tempo, abbiano una risoluzione sufficiente a individuare gli aloni di materia oscura, le strutture gravitazionali in cui si formano le galassie.
Aurora, il supercomputer exascale di Argonne, dispone complessivamente di 10.624 nodi e 63.744 GPU, oltre che di memoria ad alta capacità e di un sistema di archiviazione progettato per gestire grandi quantità di dati. Le simulazioni hanno generato oltre 85 petabyte, soprattutto per creare punti di ripristino: copie che consentono di riprendere un calcolo dopo un’interruzione senza ricominciare da capo. Per l’analisi scientifica sono stati conservati circa 8 petabyte.
Il gruppo ha utilizzato l’Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) di Argonne, un programma progettato per eseguire simulazioni cosmologiche su diversi tipi di supercomputer. A differenza di un precedente progetto realizzato sul sistema Frontier dell’Oak Ridge National Laboratory, che includeva anche gas, stelle e altri processi, le simulazioni su Aurora hanno considerato soltanto la gravità. Questa scelta ha permesso di modellare un volume cosmico più grande con un numero maggiore di particelle. Un’altra iniziativa computazionale ha esplorato l’universo attraverso la simulazione ExaSky.
Le due simulazioni adottano lo stesso modello cosmologico e lo stesso segnale non gaussiano, ma hanno fasi iniziali invertite. Il confronto tra i risultati aiuta a compensare alcune variazioni casuali e a isolare la fisica sottostante. Inoltre, l’intensità del segnale è stata tenuta nascosta ai ricercatori, così da permettere loro di verificare i metodi di analisi senza conoscere in anticipo il risultato atteso.
Le osservazioni simulate serviranno a convalidare le procedure di analisi e a individuare possibili distorsioni prima di applicarle ai dati reali di progetti come il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), sostenuto dal Dipartimento dell’Energia statunitense, e la missione SPHEREx della NASA. Simulare osservazioni realistiche dell’intero cielo potrebbe aiutare a ottenere misurazioni più affidabili e offrire un banco di prova per cercare le tracce, potenzialmente molto sottili, dell’universo primordiale.
Il progetto ha ricevuto tempo di calcolo attraverso il programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment del Dipartimento dell’Energia. Con l’arrivo di dati sempre più dettagliati da DESI, SPHEREx e altre campagne, simulazioni di questa portata potrebbero aiutare a mettere in relazione i modelli teorici con l’universo osservato dagli astronomi. Secondo i ricercatori, le simulazioni rappresentano un passo importante in questa direzione.
Fonte: interestingengineering.com
