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 del passato andavano in crisi a temperature inferiori ai 10.000 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 appena 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 nostro ricercatore Alejandro Benitez-Llambay, membro del progetto internazionale. Insieme ai colleghi, ha guidato lo sviluppo di un modello fisico 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 lavoro di Benitez-Llambay, svolto in Bicocca e pubblicato anche sulla rivista MNRAS (https://academic.oup.com/mnras/article/546/4/stag268/8472647) ha permesso di tradurre questo complesso processo in codice informatico.
Questo "termostato" si è rivelato un tassello fondamentale per regolare il mezzo interstellare in COLIBRE. «Contribuendo a gestire in modo realistico i flussi di energia stellare, il 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», spiega Benítez-Llambay. 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 che plasmano l'aspetto e l'evoluzione delle galassie.
Sfruttando una potenza di calcolo senza precedenti (circa 80 milioni di ore) e una risoluzione 20 volte superiore ai vecchi standard, il progetto ha generato galassie digitali le cui masse, dimensioni e luminosità sono virtualmente indistinguibili da quelle reali.
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.
Frutto di un decennio di sviluppo, COLIBRE fornisce ora alla comunità scientifica internazionale un potentissimo laboratorio virtuale in cui la ricerca targata Bicocca gioca un ruolo da protagonista.