Simulare un universo in miniatura per svelare i segreti del nostro

L’universo è tanto enorme quanto complesso e il nostro modo di osservarlo e studiarlo tanto più si fa approfondito tanto più diventa anch’esso complesso. Gli approcci sono molti e ciascuno fornisce un pezzetto del puzzle. Si può esplorare l’universo con sonde e telescopi, per osservare nel dettaglio una sua piccola – per quanto per noi enorme – parte, oppure si possono sviluppare simulazioni in grado di mostrare l’intera storia dell’universo dal Big Bang verso il futuro. Grazie all’aumento della capacità di calcolo dei computer queste simulazioni sono sempre più affidabili e complesse e la realizzazione di sistemi integrati con l’intelligenza artificiale potrebbe aprire a nuove prospettive.

Una simulazione “illustre”. Una delle simulazioni cosmiche più all’avanguardia si chiama Illustris: the Next Generation. Il nome, che strizza l’occhio ai fan di Star Trek, mostra già l’intenzione di voler andare dove nessuno è mai giunto prima. Si tratta di una simulazione delle complesse interazioni fra stelle, galassie, campi magnetici, forze di gravità e tutte le altre caratteristiche necessarie a descrivere l’universo. Il sistema è in realtà un ombrello di 18 programmi minori, ciascuno impegnato a simulare un diverso ordine di grandezza. L’universo simulato è però decisamente più piccolo di quello reale: “solo” 1 miliardo di anni luce in tutte e tre le direzioni.

Schemi e percorsi. Lo scopo di queste simulazioni è quello di capire i vari modi in cui la materia e le diverse forze in gioco nell’universo interagiscono fra loro, quali percorsi vengono seguiti e quali schemi vengono formati dalle galassie che danzano al ritmo della gravità… e non solo. Anche le forze misteriose dell’energia e della materia oscura vengono integrate nel sistema e la loro simulazione permette di studiarne meglio l’interazione con ammassi di galassie e stelle fornendo suggerimenti sulla loro natura.

Un grande computer per un grande universo. Per riuscire a far funzionare la simulazione è necessaria un’enorme capacità di calcolo che viene fornita dal supercomputer tedesco Hazel Hen che, nonostante l’incredibile quantità di operazioni al secondo di cui è capace, ha impiegato 2 mesi per completare la simulazione, generando oltre 500 Terabyte di dati. “L’analisi di questa enorme montagna di dati – ha commentato Volker Springel dell’Istituto per gli studi teorici di Heidelberg – ci terrà impegnati per gli anni a venire e promette molte nuove e interessanti intuizioni nei diversi processi astrofisici; Il livello di accuratezza raggiunto finora è eccitante. Sono già stati pubblicati tre articoli che descrivono la clusterizzazione su vasta scala della materia, aiutandoci a capire come si formano le galassie”.

Oltre le aspettative. Illustris non è l’unica simulazione in circolazione: ce ne sono molte, alcune addirittura disponibili per il grande pubblico, ma una ha recentemente attirato l’attenzione dei ricercatori. Si chiama Deep Density Displacement Model, per gli amici D³M, e ha una caratteristica che la rende diversa dagli altri: a gestire i calcoli c’è un’intelligenza artificiale e le cose di cui è capace sono andate oltre le aspettative dei suoi ideatori. La prima simulazione ha richiesto oltre 300 ore di calcoli, ma l’IA ha imparato come gestirli e ora è in grado di simulare un universo di 600 milioni di anni luce in appena 30 millisecondi senza perdere accuratezza. Ma c’è altro: questo sistema si è rivelato in grado di gestire parametri, come ad esempio la materia oscura, per cui non era stata addestrata. “È come addestrare il software a riconoscere solo cani e gatti – ha commentato il ricercatore Shirley Ho nel comunicato stampa –, ma poi è in grado di riconoscere anche gli elefanti. Nessuno sa come ci riesce ed è un grande mistero da risolvere.”

Il nostro universo è un posto strano e per lo più sconosciuto. L’umanità ha appena iniziato a guardarsi intorno: l’intelligenza artificiale può aiutarci a comprendere come i miliardi di miliardi di variabili che influenzano l’evoluzione del nostro universo giocano nella danza di stelle, pianeti e potrebbe persino suggerirci qualcosa sull’emergere della vita stessa.