I ‘toni puri’ dell’Universo

(ASI) – Viviamo in un Universo relativistico. Lo aveva predetto Einstein un secolo fa con la sua Relatività Generale, e fino ad oggi abbiamo avuto continue conferme della bontà di questa teoria: le onde gravitazionali catturate da LIGO e VIRGO sono state l’ultima prova.

Ma se l’eleganza della relatività einsteiniana la rende la chiave migliore per decifrare i misteri dell’Universo, nella pratica le cose sono un po’ più complicate.

Le equazioni della relatività generale sono infatti così complesse da costringere i fisici a numerose semplificazioni per poterle applicare alla cosmologia.

Tornando sulla Terra, questo potrebbe corrispondere al tentativo di livellare i suoni di una sinfonia: il tempo e le dinamiche sarebbero conservate, ma la musica si ridurrebbe a un’unica nota.

I modelli cosmologici attualmente disponibili sono come quella sinfonia monotonale: forniscono solo un’approssimazione della realtà. Come rendere giustizia alle diverse note dell’Universo?

Se lo sono chiesto due gruppi di ricerca ai due lati dell’Atlantico, che sono giunti indipendentemente a risultati simili. Si tratta di tre scienziati statunitensi da un lato e due italiani dall’altro, che hanno elaborato i più accurati modelli simulativi dell’Universo mai sviluppati grazie all’applicazione, per la prima volta, della teoria completa della Relatività Generale.

In altre parole hanno costruito su computer i primi modelli cosmologici esattamente relativistici, una vera e propria rivoluzione per lo studio su ampia scala degli effetti della gravità.

I risultati, pubblicati separatamente nello stesso numero della rivista Physical Review Letters e selezionati come Editor Suggestions, mettono in luce come piccole strutture dell’Universo possano produrre conseguenze su lunghe distanze.

Esattamente come predetto da Einstein cento anni fa: ma questo è il primo modello simulativo del cosmo che si sposa perfettamente con le intuizioni teoriche del fisico tedesco.

I due gruppi di ricerca, formati rispettivamente da James Mertens, John T. Giblin Jr. e Glenn Starkman della Case Western Reserve University, e da Eloisa Bentivegna dell’Università di Catania e Marco Bruni dell’Università di Portsmouth, hanno utilizzato approcci e strumenti diversi.

“Il gruppo statunitense è partito subito molto vicino alle osservazioni – ha detto Eloisa Bentivegna ad ASI.it – scegliendo distribuzioni di materia il più possibile simili a quello che osserviamo nel cielo. Io e il collega Marco Bruni abbiamo deciso di partire da una configurazione più semplice, per studiare individualmente gli elementi costitutivi di questi modelli, prima di metterli insieme per formare un Universo realistico”.

Tornando all’analogia musicale: “Noi ci siamo concentrati sui toni puri, loro sono partiti subito con combinazioni armoniche”.

L’Universo a “toni puri” disegnato dai due ricercatori italiani paga forse il prezzo di un minore realismo, ma consente un maggiore controllo dei vari effetti e un confronto più serrato con la teoria.

Abbiamo misurato per la prima volta sia la formazione di strutture cosmologiche – continua Bentivegna – sia l’effetto che questa formazione ha sull’espansione dell’Universo. In tal modo abbiamo potuto misurare (anche se in una configurazione ancora semplice) come varia l’espansione cosmica in un universo disomogeneo”.

Per costruire il loro modello, Bentivegna e Bruni hanno utilizzato un software open source che prende il nome proprio dal papà del relativismo: Einstein Toolkit.

Si tratta di un’infrastruttura utilizzabile da chiunque, contenente gli strumenti necessari per risolvere le equazioni della Relatività Generale.

Da circa sei anni Eloisa Bentivegna lavora per adattare l’Einstein Toolkit alle simulazioni cosmologiche: prima all’interno del progetto europeo COSMOTOOLKIT, successivamente sotto il Programma Rita Levi Montalcini grazie al quale è rientrata in Italia dopo un lungo periodo di ricerca all’estero.

“C’è una lunga lista di miglioramenti ancora da fare – conclude la ricercatrice – prima fra tutti, la necessità di aggiungere più dettagli e più realismo alle simulazioni, per renderle maggiormente somiglianti alle osservazioni. Questo compito, da solo, richiederà un notevole investimento sia teorico che tecnologico”.

Ecco dunque i prossimi passi per sintonizzare sempre meglio simulazioni e dati osservativi, e armonizzare così tra loro i diversi toni puri dell’Universo.

Immagini: Flickr Einstein Toolkit, Visualization by Werner Benger © by AEI, CCT and ZIB

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