Per decenni, gli astrofisici si sono scontrati con un ostacolo insormontabile: pur sapendo che le stelle nascono all'interno di nubi di gas freddo, le simulazioni cosmologiche non riuscivano a replicare queste condizioni. I modelli informatici virtuali del passato andavano in crisi a temperature inferiori ai 10 mila gradi Kelvin, costringendo i ricercatori a semplificare o ignorare del tutto le dinamiche reali del gas interstellare. Oggi, questo limite è stato finalmente superato grazie a “COLIBRE”, una suite di simulazioni di nuova generazione presentata sulla rivista “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” (MNRAS) (https://academic.oup.com/mnras/article/548/1/stag375/8650959). E il dipartimento di Fisica dell'Università di Milano-Bicocca ha fornito un contributo fondamentale per questo successo. Al centro di questo traguardo tecnologico c'è il lavoro del ricercatore del dipartimento di Fisica del nostro ateneo, Alejandro Benítez-Llambay, membro del progetto internazionale.
Alejandro Benítez-Llambay, qual è stato il contributo di Milano-Bicocca allo sviluppo delle simulazioni “COLIBRE”?
Ho guidato lo sviluppo di un modello fisico e numerico per simulare l'impatto delle stelle nelle loro prime fasi di vita sulle galassie. Nella realtà, le stelle più giovani e massicce emettono radiazioni e venti stellari potentissimi ben prima di esplodere come supernove. Questa immensa quantità di energia agisce come un “termostato” naturale, cioè, spazza via e scalda il gas circostante, regolando il ritmo con cui la galassia può formare nuovi astri. Il nostro lavoro, pubblicato anche sulla rivista MNRAS (https://academic.oup.com/mnras/article/546/4/stag268/8472647) ha permesso di tradurre questo complesso processo fisico in codice informatico, permettendo di simulare sia una porzione più grande dell’universo come una singola regione di formazione stellare di maniera più consistente in comparazione a modelli precedenti.
Qual è stato il punto di svolta per arrivare a simulazioni più avanzate e più realistiche?
Contribuendo a gestire in modo realistico i flussi di energia stellare, il nostro modulo ha fornito la stabilità necessaria per compiere il salto di qualità definitivo delle simulazioni: la regolazione della formazione stellare dopo l’introduzione di un modello esplicito di gas multifase. Insieme ad altri processi fisici chiave, questo ha permesso per la prima volta di includere in modo stabile sia il gas gelido che i granelli di polvere cosmica, gli ingredienti essenziali da cui nascono le stelle e che plasmano l'aspetto e l'evoluzione delle galassie. Il "termostato" naturale si è rivelato un tassello fondamentale per regolare il mezzo interstellare, ovvero il gas che si trova tra le stelle di una galassia, in “COLIBRE”.
Che cosa avete scoperto?
“Sfruttando una potenza di calcolo senza precedenti (di circa 80 milioni di ore divise tra diverse migliaia di computer) e una risoluzione venti volte superiore ai vecchi standard, le simulazioni riproducono digitalmente e con estrema fedeltà (nella massa, nelle dimensioni e nella luminosità) sia le galassie dell’universo attuale, sia quelle osservate dal telescopio spaziale James Webb Space Telescope (JWST) nell’universo primordiale.
Ma l'impatto di “COLIBRE” va oltre l'eccezionale realismo. Inserendo finalmente la fisica corretta (come il gas freddo e la polvere), le simulazioni hanno dimostrato che il modello cosmologico standard descrive in modo eccellente l'evoluzione dell'Universo, risolvendo le presunte discrepanze sollevate dalle recenti osservazioni del James Webb Space Telescope (JWST) nell'universo primordiale. Per esempio, un dubbio sul modello cosmologico standard era stato sollevato dalla quantità di galassie di alta luminosità osservate con il JWST, ma “COLIBRE” ne ha dimostrato la compatibilità. Per capire e definire più correttamente il modello di formazione delle galassie, ci vorranno nuovi studi e nuovi raffronti, ma “COLIBRE” ci dice che il modello standard è ancora valido.
Frutto di un decennio di sviluppo, “COLIBRE” fornisce ora alla comunità scientifica internazionale un potentissimo laboratorio virtuale in cui la ricerca targata Milano-Bicocca gioca un ruolo da protagonista. Immagini e video sono disponibili qui: https://colibre.strw.leidenuniv.nl/
