Chiedi alle Simulazioni

Per la prima volta, gli scienziati hanno introdotto la rotazione dello spazio-tempo e l’effetto delle onde gravitazionali per simulare la formazione delle strutture su larga scala dell’Universo. I risultati di questo studio, pubblicato su Nature, permettono di determinare le differenze tra il nuovo codice numerico basato sulle equazioni di Einstein e quelli precedenti che partono dalla teoria di Newton

L’Universo, si sa, è in continua espansione. Esso muta, creando nuove strutture che poi si aggregano nel corso del tempo. La domanda è: come fa ad evolvere? Oggi, alcuni fisici dell’Università di Ginevra (UNIGE), in Svizzera, hanno sviluppato una simulazione numerica che offre preziosi indizi sul complicato processo di formazione delle strutture cosmiche. Partendo dalle equazioni di Einstein, gli scienziati sono stati in grado di integrare nei loro calcoli la rotazione dello spazio-tempo e di misurare l’ampiezza delle onde gravitazionali, la cui esistenza è stata annunciata per la prima volta lo scorso 11 Febbraio. I risultati di questo studio sono pubblicati su Nature Physics.

Fino ad oggi, i ricercatori hanno simulato la formazione delle strutture cosmiche su larga scala basandosi sulla gravitazione newtoniana. Questi codici postulano che lo spazio non cambia, cioè rimane statico, mentre evolve solo il tempo. Le simulazioni risultano molto precise se la materia presente nell’Universo si muove lentamente, ossia con una velocità di circa 300 Km/sec. Tuttavia, quando le particelle si muovono in un regime di velocità relativistiche, il codice fornisce solamente calcoli approssimati. Inoltre, esso non permette di descrivere le fluttuazioni dovute all’energia oscura, che con il suo contributo pari al 70 percento del contenuto materia-energia presente nell’Universo è responsabile dell’espansione cosmica accelerata. Dunque, da qui la necessità di trovare un nuovo modo per simulare la formazione delle strutture cosmiche allo scopo di studiare questi fenomeni.

Il team di ricercatori guidato da Ruth Durrer del Dipartimento di Fisica Teorica presso la Facoltà di Scienze della UNIGE ha creato un nuovo codice, chiamato gevolution, che si basa sulle equazioni di Einstein. La teoria della relatività generale considera lo spazio-tempo come un’entità dinamica, il che vuol dire che sia lo spazio che il tempo cambiano continuamente, a differenza del concetto di spazio che Newton considerava statico nella sua teoria. Lo scopo di questo studio è quello di predire l’ampiezza e gli effetti associati alla generazione delle onde gravitazionali e la rotazione dello spazio-tempo, tecnicamente nota come frame-dragging, indotti dalla formazione delle strutture cosmiche.

Per far questo, i fisici della UNIGE hanno analizzato una porzione cubica di spazio che consiste di 60 miliardi di zone ognuna delle quali contiene una particella (un po’ come dire una porzione di una galassia), per studiare il modo con cui esse si muovono rispetto alle particelle circostanti. Grazie alla libreria LATfield2, sviluppata da David Daverio della UNIGE, che permette di risolvere equazioni differenziali parziali non-lineari, e al supercomputer dello Swiss Supercomputer Center di Lugano, i ricercatori sono stati in grado di tracciare il moto delle particelle e calcolare la metrica (ossia la misura della distanza e del tempo tra due galassie) facendo uso delle equazioni della relatività. I risultati di questi calcoli permettono di quantificare le differenze tra i dati ottenuti dalla simulazione gevolution e quelli ricavati mediante i codici newtoniani. Ciò permette inoltre di misurare l’effetto della rotazione dello spazio-tempo e delle onde gravitazionali causati, come si diceva prima, dalla formazione delle strutture cosmiche.

In realtà, la rotazione dello spazio-tempo e l’effetto dovuto alla presenza delle onde gravitazionali non è mai stato preso in considerazione prima della formulazione del codice gevolution. Questo approccio apre così un nuovo modo di confrontare i risultati forniti dalla simulazione con le osservazioni. Insomma, grazie a questo nuovo codice numerico, i fisici dell’UNIGE potranno ora disporre di un ulteriore strumento d’indagine in grado di testare la relatività generale su una scala di distanze molto più grande rispetto a quanto sia stato fatto in precedenza. Infine, il gruppo di Durrer renderà pubblico il codice gevolution in modo da favorire quanto più possibile la ricerca in questo campo. L’obiettivo finale è quello, almeno così si spera, di far luce sui misteri dell’energia oscura.