Un progetto internazionale guidato da ricercatori di Harvard, Smithsonian e MIT ha realizzato una delle più imponenti simulazioni cosmologiche mai sviluppate. Grazie a un supercomputer e a centinaia di miliardi di elementi simulati, gli scienziati possono osservare virtualmente la nascita delle prime galassie e la trasformazione dell’Universo dopo il Big Bang.
Come appariva l’Universo quando le prime stelle cominciavano ad accendersi? In che modo la materia, inizialmente distribuita in un immenso oceano di gas, si è organizzata fino a formare galassie, ammassi e quella gigantesca rete di strutture che oggi chiamiamo ragnatela cosmica?
Per rispondere a queste domande, un gruppo internazionale di astrofisici ha sviluppato Lumina, una straordinaria simulazione numerica capace di ricostruire l’evoluzione del cosmo durante i suoi primi due miliardi di anni.
Il progetto, descritto sulla rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, rappresenta un importante progresso nella cosmologia computazionale. Per la prima volta, gli scienziati possono seguire simultaneamente, su una scala così vasta, l’evoluzione delle galassie e i processi attraverso i quali la radiazione prodotta dalle prime stelle e dai buchi neri ha trasformato il gas intergalattico.
Un Universo virtuale grande 1,6 miliardi di anni luce
Le dimensioni della simulazione sono impressionanti. Lumina riproduce una porzione di Universo rappresentata da un cubo con lati di circa 1,6 miliardi di anni luce, considerando le distanze in coordinate cosmologiche comoventi, utilizzate per descrivere un Universo in espansione.
All’interno di questo spazio virtuale, i ricercatori hanno seguito il comportamento di circa 432 miliardi di elementi numerici, tra particelle di materia oscura e celle di gas.
Ma il vero risultato non riguarda soltanto le dimensioni. Rispetto alle precedenti simulazioni comparabili, Lumina studia un volume oltre cento volte maggiore, mantenendo una risoluzione sufficiente a descrivere la formazione delle galassie e la loro interazione con l’ambiente circostante.
Il modello tiene conto della gravità, dell’evoluzione del gas, della formazione stellare e della propagazione della radiazione. È proprio quest’ultimo aspetto a renderlo particolarmente interessante: la luce non viene considerata soltanto come un prodotto delle stelle, ma come un agente fisico capace di modificare profondamente il destino della materia cosmica.
Quando l’Universo uscì dalla sua età oscura
Per comprendere l’importanza di Lumina bisogna tornare a un’epoca in cui l’Universo era molto diverso da quello attuale.
Circa 380.000 anni dopo il Big Bang, il cosmo si era raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei atomici, formando soprattutto idrogeno ed elio neutri. La radiazione primordiale poteva finalmente propagarsi liberamente, lasciando quella traccia che oggi osserviamo come radiazione cosmica di fondo.
Cominciò allora un lungo periodo conosciuto come età oscura cosmica: non esistevano ancora stelle capaci di illuminare lo spazio. La situazione cambiò quando la gravità iniziò a concentrare il gas nelle prime strutture, permettendo la nascita delle stelle e delle galassie.
Questi astri primitivi emettevano grandi quantità di radiazione ultravioletta, sufficientemente energetica da strappare gli elettroni agli atomi di idrogeno circostanti. È il fenomeno conosciuto come reionizzazione cosmica.
La trasformazione non avvenne contemporaneamente in tutto l’Universo. Attorno alle prime galassie comparvero enormi regioni di gas ionizzato, simili a bolle in espansione, che crebbero progressivamente fino a sovrapporsi.
Lumina permette di seguire proprio questo processo: la comparsa delle prime bolle ionizzate, la loro espansione e la progressiva trasformazione dello spazio intergalattico.
Il ruolo decisivo dei buchi neri supermassicci
Uno degli aspetti più innovativi del progetto riguarda la possibilità di studiare contemporaneamente la reionizzazione dell’idrogeno e quella dell’elio.
Sebbene si tratti di processi collegati, i due elementi richiedono energie differenti per perdere i propri elettroni.
Secondo i risultati della simulazione, la reionizzazione dell’idrogeno fu alimentata principalmente dalla radiazione delle stelle, mentre la successiva trasformazione dell’elio già ionizzato una volta fu dominata da sorgenti molto più energetiche: i nuclei galattici attivi.
Questi nuclei ospitano buchi neri supermassicci che, mentre accumulano materia, possono produrre enormi quantità di radiazione ad alta energia. La simulazione suggerisce che la loro attività abbia contribuito a modificare la temperatura e lo stato di ionizzazione del gas distribuito tra le galassie.
In particolare, Lumina prevede una reionizzazione dell’idrogeno relativamente tardiva, con alcune regioni rimaste parzialmente neutre più a lungo di altre. La seconda ionizzazione dell’elio, invece, risulta quasi completata quando l’Universo raggiunge un’età di circa due miliardi di anni.
Questi risultati permettono di studiare non soltanto quando il cosmo abbia attraversato le sue grandi transizioni, ma anche come tali cambiamenti si siano propagati attraverso regioni con densità e caratteristiche differenti.
La potenza di Frontier: migliaia di processori per ricostruire il passato
Un esperimento di queste dimensioni sarebbe stato impossibile senza una capacità di calcolo eccezionale.
Per realizzare Lumina, i ricercatori hanno utilizzato Frontier, il supercomputer dell’Oak Ridge National Laboratory, nel Tennessee, uno dei sistemi di calcolo scientifico più potenti al mondo.
La simulazione ha impiegato oltre 100.000 core CPU e circa 15.000 unità di elaborazione grafica, considerando le unità di calcolo GPU utilizzate dal sistema. Una potenza necessaria non soltanto per simulare la gravità e il movimento della materia, ma anche per calcolare continuamente il trasporto della radiazione e i suoi effetti sul gas.
Il risultato è un laboratorio cosmologico virtuale nel quale gli astrofisici possono osservare l’evoluzione di strutture grandi milioni di anni luce e, contemporaneamente, analizzare i fenomeni che accompagnano la nascita delle singole galassie.
Naturalmente Lumina non è una registrazione autentica del passato. È una ricostruzione basata sulle leggi fisiche e sui modelli cosmologici attualmente disponibili. La sua attendibilità dipende quindi dalla capacità delle previsioni di riprodurre le osservazioni astronomiche. Ed è proprio questo il suo principale valore scientifico.
Un nuovo alleato per il telescopio James Webb
Negli ultimi anni il telescopio spaziale James Webb ha aperto una finestra senza precedenti sull’Universo primordiale, osservando galassie formatesi quando il cosmo aveva soltanto poche centinaia di milioni di anni.
Alcune di queste osservazioni hanno sollevato interrogativi sui ritmi di formazione e crescita delle prime galassie. Lumina offrirà ai ricercatori uno strumento prezioso per mettere alla prova i modelli teorici e confrontare le popolazioni galattiche simulate con quelle realmente osservate.
Il progetto sarà particolarmente utile anche in vista delle osservazioni del futuro telescopio spaziale Nancy Grace Roman, progettato per studiare regioni vastissime del cielo e raccogliere dati su enormi popolazioni di galassie.
La combinazione tra simulazioni numeriche e osservazioni permetterà di verificare quanto accuratamente i modelli descrivano la distribuzione della materia, l’evoluzione delle sorgenti luminose e la storia termica del gas intergalattico.
Eventuali discrepanze potrebbero suggerire la necessità di migliorare la descrizione dei processi astrofisici o, nei casi più significativi, di riconsiderare alcuni aspetti dei modelli cosmologici.
Ricostruire il passato per comprendere il futuro della cosmologia
Il significato di Lumina va oltre l’impressionante potenza tecnologica impiegata.
L’Universo primordiale non può essere osservato in ogni suo dettaglio e, soprattutto, non possiamo assistere direttamente all’evoluzione delle stesse strutture per miliardi di anni.
Possiamo però costruire modelli basati sulle leggi della fisica, farli evolvere al computer e confrontare i risultati con la luce che arriva dai confini osservabili del cosmo. In questo senso, Lumina rappresenta una sorta di macchina del tempo scientifica: non consente di viaggiare nel passato, ma di esplorare scenari fisicamente plausibili e verificare quali siano compatibili con le osservazioni.
Il progetto segna così un nuovo capitolo nello studio delle origini cosmiche, mostrando come l’incontro tra astrofisica, matematica e supercalcolo stia trasformando la nostra capacità di interrogare l’Universo.
Perché comprendere come siano nate le prime galassie significa anche ricostruire la lunga catena di eventi che, miliardi di anni più tardi, avrebbe reso possibile la formazione di stelle come il Sole, di pianeti come la Terra e, infine, della vita stessa.
Stefano Camilloni
Riferimento scientifico: Oliver Zier et al., Introducing the Lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2026).
DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stag1469
