I cosmologi stanno utilizzando strumenti computazionali all’avanguardia per svelare i segreti della materia oscura e dell’energia oscura, che insieme costituiscono il 95% dell’universo. Attraverso il progetto Dark Sky Mining e il potente supercomputer Aurora, gli scienziati simulano scenari cosmici a velocità senza precedenti, testando teorie e perfezionando modelli.
La materia oscura, pur essendo invisibile, si manifesta attraverso effetti gravitazionali, mentre l’energia oscura accelera l’espansione dell’universo. Sfruttando l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico, i ricercatori possono confrontare in modo efficiente le simulazioni con le osservazioni, potenzialmente riscrivendo le leggi fondamentali della fisica.
Alla scoperta dei misteri dell’universo
Cosmologi e astrofisici sono in missione per scoprire i componenti più elusivi dell’universo. Il loro obiettivo è identificare e studiare le forze nascoste che modellano l’evoluzione cosmica. Se rivelate, queste scoperte potrebbero rispondere a domande scientifiche di lunga data e persino sfidare le leggi fondamentali della fisica che sono state perfezionate per secoli.
Presso l’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori stanno sviluppando strumenti computazionali avanzati, simili alle attrezzature minerarie ad alta tecnologia, per indagare la natura misteriosa della materia oscura e dell’energia oscura, due dei più grandi misteri irrisolti della fisica moderna.
Il fisico e cosmologo di Argonne, Salman Habib, Argonne Distinguished Fellow e direttore della divisione di Scienze computazionali del laboratorio, ha spiegato:
“La natura della materia oscura e dell’energia oscura non è ancora compresa. Sappiamo che esistono entrambe, ma non capiamo cosa siano, né i principi fondamentali che governano la loro esistenza. Fondamentalmente, quello che stiamo facendo adesso è semplicemente un’estensione di quella lunga storia di connessione dell’umanità con le stelle, le galassie e tutto il resto. La capacità di guardare in profondità nell’universo è sbalorditiva perché ci dice anche molto sul nostro posto nel grande schema delle cose.”
Sfruttare i supercomputer per le scoperte cosmiche
Per ampliare le teorie attuali, gli scienziati di Argonne stanno lavorando per creare mappe del cielo dettagliate che combinano osservazioni cosmiche reali con simulazioni dell’universo ad alta intensità computazionale. Il progetto, chiamato Dark Sky Mining, fa parte dell’Aurora Early Science Program, supportato dall’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura utente dell’Office of Science del DOE.
Attraverso questo programma, l’ALCF ha collaborato con diversi team di ricerca provenienti da tutto il paese per sviluppare una serie diversificata di codici e software per la scala e l’architettura del nuovo supercomputer exascale di Argonne, Aurora.
La capacità di Aurora di eseguire oltre un quintilione (un miliardo di miliardi) di calcoli al secondo è fondamentale per simulare e modificare rapidamente una moltitudine di scenari cosmici ad alta intensità fisica. Combinando tale capacità con l’intelligenza artificiale avanzata (AI) e metodi statistici, il team spera di ottenere una descrizione più solida delle dinamiche della materia oscura e dell’energia oscura, e di come queste influenzino la distribuzione e le proprietà delle galassie nell’universo.
Domande senza risposta: il lato oscuro dell’universo
Da Galileo al rivoluzionario telescopio spaziale James Webb della NASA, l’umanità ha accumulato un catalogo sbalorditivo di immagini che continuano a plasmare la nostra percezione dell’universo. Quando sembrava che la scienza avesse ormai una buona conoscenza della composizione e dei meccanismi dell’universo osservabile, forze oscure hanno cominciato a farsi notare, mettendo a soqquadro modelli consolidati di fisica e cosmologia.
Si è scoperto che la materia visibile che vediamo costituisce solo circa il 5% dell’universo. Gli scienziati ritengono che la materia oscura e l’energia oscura rappresentino rispettivamente il 27% e il 68%.
Il puzzle della materia oscura
Le prime intuizioni sulla materia oscura risalgono agli inizi del XX secolo, ma l’idea contemporanea è attribuita all’astronomo svizzero Fritz Zwicky. Negli anni ’30, Zwicky esaminò i movimenti delle galassie in un ammasso galattico, l’ammasso della Chioma, che contiene più di mille galassie relativamente vicine. Basandosi solo sulla gravità , non riusciva a capire come l’ammasso rimanesse unito. Per spiegare questo fenomeno, ipotizzò l’esistenza di una “materia oscura” invisibile.
L’idea guadagnò terreno con studi più accurati di singole galassie negli anni ’60 e ’70. Misurazioni più recenti, come quelle della lente gravitazionale (la distorsione delle immagini delle galassie di sfondo quando la luce si piega attorno a masse intermedie), hanno fornito prove sorprendenti dell’esistenza della materia oscura.
Energia oscura: il mistero in espansione
Con l’aggiunta della materia oscura, il modello attuale dell’universo mostrava ancora uno squilibrio. Le misurazioni delle supernovae, che consentono ai cosmologi di determinare come l’universo si sta espandendo e se il tasso di espansione sta accelerando o rallentando, hanno rivelato ciò che ora chiamiamo energia oscura.
L’energia oscura si è rivelata essere la causa dell’espansione accelerata dell’universo, una sorpresa per molti. Essa agisce come una sorta di antigravità , spingendo via oggetti a distanze enormi con una forza maggiore di quella gravitazionale.
Habib ha dichiarato:
“Sorprendentemente, l’energia oscura era proprio ciò di cui c’era bisogno per far funzionare correttamente l’aggregazione delle galassie su larga scala e, in qualche modo, mantenere intatto il modello cosmologico. In un certo senso, è solo un’altra particella che non abbiamo ancora trovato, proprio come sapevamo che i neutrini esistevano, ma non li avevamo ancora scoperti. L’energia oscura è una proposta molto diversa perché risolve un problema fondamentale nel descrivere come funziona la gravità . E questo è ciò che causa molti problemi concettuali”.
La materia oscura potrebbe non essere così impensabile, sostiene Habib, soprattutto per un universo che pullula di fenomeni straordinari. È misteriosa solo perché non assorbe né emette luce, ma la possiamo “vedere” grazie ai suoi effetti gravitazionali, come nel caso dei buchi neri.
Districare le forze oscure con la potenza di calcolo
I ricercatori utilizzano supercomputer come Aurora per costruire modelli realistici dell’universo che permettano di analizzare centinaia o migliaia di possibili scenari, gestendo universi virtuali.
Gli universi virtuali sono esempi di gemelli digitali, modelli sofisticati di sistemi complessi come il clima della Terra o la diffusione di malattie. Gli scienziati li usano per fare previsioni abbastanza accurate sull’evoluzione di un sistema e per comprendere i problemi sottostanti legati ad eventi inaspettati all’interno di tali sistemi: le anomalie. Sono queste incongruenze nei modelli che potrebbero portare i ricercatori alla scoperta.
Attualmente, si suppone che la materia oscura non interagisca con se stessa o con la materia visibile, ma interagisca gravitazionalmente. Tuttavia, anche questa comprensione limitata lascia aperti scenari in cui la presenza di materia oscura potrebbe essere rilevata e le sue proprietà indagate.
Se la materia oscura fosse auto-interagente, tali interazioni potrebbero alterare le dinamiche gravitazionali. Ad esempio, tracciando le orbite delle stelle vicino al centro di una galassia, si potrebbe determinare se il modello gravitazionale si discosta da quello previsto dalla sola gravità .
E poiché è dinamica, i ricercatori possono simularla.
Habib ha affermato: “Se mi dai un modello di come la materia oscura interagisce con se stessa, posso inserirlo nel mio codice di simulazione e capire cosa succede. Posso prevedere su piccola scala come cambierà la distribuzione della massa.”
Poiché non esiste ancora un modello convincente delle interazioni della materia oscura, i ricercatori possono eseguire e rieseguire modelli diversi, cambiando i parametri lungo il percorso. Il processo continua finché non si ottiene un modello che si allinea con le osservazioni e fornisce indizi sulla natura delle interazioni.
Questo processo avrebbe richiesto anni usando i predecessori di Aurora, ma la potenza di calcolo exascale di Aurora, combinata con metodi statistici e intelligenza artificiale, riduce drasticamente il numero di simulazioni e il tempo necessario per ottenere risultati.
L’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico accelerano le scoperte
L’intelligenza artificiale alimenta una tecnica chiamata emulazione, che affronta problemi inversi, ossia determinare la causa o le proprietà di un sistema a partire da effetti o dati osservati. Fino a poco tempo fa, migliaia di simulazioni erano necessarie per esplorare parametri che potessero risolvere un problema.
L’emulazione è un potente approccio statistico basato sull’apprendimento automatico che richiede solo una frazione di quel numero di simulazioni per determinare i parametri che meglio si adattano alle osservazioni.
Si tratta di un enorme vantaggio, soprattutto quando si modellano scenari che riguardano l’intero cosmo, come l’espansione dell’universo e il ruolo dell’energia oscura.
Habib ha spiegato:
“L’energia oscura è più sottile della materia oscura, perché non vi sono fattori dinamici su piccola scala legati ad essa. Poiché influisce sul tasso di espansione dell’universo, l’energia oscura cambia davvero il comportamento dell’universo su scale molto grandi.”
Per comprendere meglio il problema, i ricercatori devono prima misurare sia il tasso di espansione dell’universo che la velocità con cui le galassie si allontanano l’una dall’altra. Questi calcoli richiedono lo sviluppo di mappe del cielo estremamente grandi e computazionalmente costose per visualizzare e manipolare virtualmente le forze in gioco.
Proprio come per la materia oscura, i ricercatori possono simulare diversi modelli di energia oscura, utilizzando infinite varianti di questa forza, modificando i parametri finché i modelli non iniziano a corrispondere alle osservazioni.
Una delle traiettorie dei modelli implica il ritorno alle fasi iniziali dell’universo per misurare il tasso di espansione e capire se è cambiato nel tempo. Habib ha dichiarato:
“E se sì, corrisponde a ciò che ci si aspetterebbe o è diverso? Le differenze sono sottili, ma parte del motivo è che l’attuale modello di energia oscura è molto semplice. Stiamo cercando di fare previsioni sempre più accurate per il modello, con l’idea che, se le misurazioni non corrispondono a quanto previsto, sappiamo che c’è qualcosa di sbagliato. Questo non ci dice qual è la risposta giusta, ma ci indica che il modello attuale è errato, permettendoci di svilupparne di nuovi.”
Illuminare l’universo oscuro
Il team utilizzerà l’immensa potenza di calcolo di Aurora per eseguire simulazioni su larga scala del cosmo, contribuendo a far progredire il campo della cosmologia computazionale e preparando la strada al lancio di nuovi telescopi e sonde.
Il lavoro potrebbe fornire risposte sulla natura dell’energia oscura e della materia oscura, oltre ad affrontare l’enigma dei neutrini, che rimangono un pezzo sconcertante del Modello Standard della fisica delle particelle. Determinare la massa totale dei neutrini è stato un “Sacro Graal” da quando gli esperimenti hanno rivelato l’esistenza di tre “sapori” di questa particella, ciascuno con la propria massa.
Ma per Habib, il progetto offre molto di più di una risposta a questi particolari enigmi. L’uso di tecnologie all’avanguardia, in particolare nell’informatica, ha implicazioni entusiasmanti per innovazioni che spesso non possiamo prevedere.
Il lavoro conferma anche il nostro lungo rapporto con il cielo e, attraverso di esso, lo sviluppo di una comprensione razionale della natura, che in passato ha portato a invenzioni come i calendari e la navigazione di precisione, tra le altre conquiste umane.
Habib ha concluso:
“Fondamentalmente, quello che stiamo facendo ora è solo un’estensione di quella lunga storia di connessione dell’umanità con le stelle, le galassie e tutto il resto. C’è una bellezza intrinseca in tutto questo. Guarda quanto si emozionano le persone quando vedono le immagini di Hubble o del nuovo telescopio spaziale James Webb. La capacità di guardare in profondità nell’universo è sbalorditiva, perché ci dice anche molto sul nostro posto nel grande schema delle cose.”
L’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) offre potenti risorse di supercomputing a scienziati e ingegneri, contribuendo a guidare le innovazioni in una vasta gamma di campi di ricerca. Supportato dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti attraverso il programma Advanced Scientific Computing Research (ASCR), l’ALCF è una delle due Leadership Computing Facilities del DOE dedicate alla ricerca scientifica aperta e non classificata nel paese.
Fonte: ANL
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