Oggi, i più grandi misteri che astronomi e cosmologi devono affrontare sono i ruoli che l’attrazione gravitazionale e l’espansione cosmica giocano nell’evoluzione dell’Universo. Per risolvere questi misteri, astronomi e cosmologi stanno adottando un duplice approccio: osservare direttamente il cosmo per analizzare queste forze al lavoro mentre si tenta di trovare risoluzioni teoriche per i comportamenti osservati – come la materia oscura e l’energia oscura.

Tra questi due approcci, gli scienziati modellano l’evoluzione cosmica con simulazioni al computer per vedere se le osservazioni si allineano con le previsioni teoriche. L’ultimo dei quali è AbacusSummit, una suite di simulazione creata dal Center for Computational Astrophysics (CCA) del Flatiron Institute e dall’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). In grado di elaborare quasi 60mila miliardi di particelle, questa suite è la più grande simulazione cosmologica mai prodotta.

I creatori di AbacusSummit hanno annunciato la suite di simulazione in una serie di articoli apparsi nel Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). Composto da oltre 160 simulazioni, modella il comportamento delle particelle in un ambiente a forma di scatola a causa dell’attrazione gravitazionale. Questi modelli sono noti come simulazioni N-body e sono intrinseci alla modellazione di come la materia oscura interagisce con il barionico (aka. “visibile”) materia.

Le simulazioni sono state eseguite sul supercomputer Summit presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) nel Tennessee, supervisionato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DoE). I calcoli n-body, che consistono nel calcolare l’interazione gravitazionale di pianeti e altri oggetti, sono tra le maggiori sfide che gli astrofisici devono affrontare oggi. Parte di ciò che lo rende scoraggiante è che ogni oggetto interagisce con ogni altro oggetto, indipendentemente da quanto siano distanti: più oggetti in studio, più interazioni devono essere spiegate.

Ad oggi, non esiste ancora una soluzione per i problemi degli N-body in cui sono coinvolti tre o più corpi massicci, e i calcoli disponibili sono mere approssimazioni. Ad esempio, la matematica per calcolare l’interazione di tre corpi, come un sistema stellare binario e un pianeta (noto come “Problema dei tre corpi”), deve ancora essere risolta. Un approccio comune con le simulazioni cosmologiche è fermare l’orologio, calcolare la forza totale che agisce su ciascun oggetto, spostare il tempo lentamente e ripetere.

Il team ha progettato la loro base di codice (chiamata Abacus) per sfruttare la potenza di elaborazione parallela di Summit, in cui più calcoli possono essere eseguiti contemporaneamente. Si sono anche affidati ad algoritmi di apprendimento automatico e a un nuovo metodo numerico, che ha permesso loro di effettuare un numero elevatissimo di calcoli.