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6 Dicembre 2019
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    Migliaia di galassie, in uno spazio di 230 milioni di anni luce per 13,8 miliardi di anni di storia cosmica, con un dettaglio che arriva a un milionesimo della risoluzione iniziale, tra fontane cosmiche e giostre galattiche. E’ Illustris TNG50, l’ultima simulazione di evoluzione del cosmo, che è riuscita ad unire la visione di insieme al dettaglio della formazione delle galassie, e i cui primi inaspettati risultati sono stati pubblicati in questi giorni su MNRAS.

    Un team formato da ricercatori tedeschi del Max Planck Institute e americani della Harvard University, del MIT, e del Center for Computational Astrophysics, hanno svelato i risultati di una nuova simulazione che segna lo stato dell’arte ad oggi delle simulazioni di evoluzione galattica e non solo. Si tratta anche della più dettagliata simulazione cosmologica su larga scala e, proprio questa dualità, è la principale caratteristica che la distingue da qualsiasi altra simulazione ottenuta finora.

    Fino ad oggi, infatti, i cosmologi sapevano di dover accettare un fondamentale compromesso. Avendo a disposizione una potenza di calcolo finita, le simulazioni hanno sempre dovuto privilegiare uno dei due aspetti fondamentali che interessano questi studi: il dettaglio dell’evoluzione di una singola galassia o la visione cosmologica di insieme, nello spazio e nel tempo. Non è mai stato possibile avere entrambe le cose contemporaneamente nella stessa simulazione.

    Illustris TNG50, così si chiama questa nuova simulazione, ha combinato per la prima volta l’idea di una simulazione ad ampia scala (il cosiddetto Universo in una scatola, Universe in a Box) con la risoluzione, come in uno zoom, della formazione di una singola galassia. In un cubo di spazio di 230 milioni di anni luce di lato, TNG50 è in grado di mostrare i fenomeni fisici che si verificano su una scala un milione di volte più piccola, tracciando l’evoluzione simultanea di migliaia di galassie su 13,8 miliardi di anni di storia cosmica! Decisamente impressionante…

    Nella foto grande, la simulazione della Via Lattea. Nelle immagini piccole, la simulazione di galassie a disco in luce visibile, per ogni immagine di faccia è mostrata la rispettiva immagine di taglio. In TNG50 è possibile infatti vedere la simulazione scorrere sia in falsi colori, per evidenziare caratteristiche fisiche, sia in luce visibile, per confrontarla con quello che potremmo vedere. © D. Nelson (MPA) and the Illustris TNG team

    Una simulazione di questo tipo permette quindi ai ricercatori di studiare in dettaglio come le galassie si formano e come si sono evolute da poco dopo il Big Bang a oggi, e riesce a farlo utilizzando oltre 20 miliardi di particelle che rappresentano materia oscura, stelle, gas cosmico, campi magnetici e buchi neri supermassicci.

    Per eseguire un calcolo simile sono stati necessari 16.000 processori riuniti nel supercomputer Hazel Hen a Stoccarda, che hanno lavorato assieme, 24 ore su 24, 7 giorni su 7, per più di un anno – l’equivalente di quindicimila anni per singolo processore – e i primi risultati scientifici non si sono fatti attendere.

    Due studi, usciti da poco su MNRAS, hanno mostrato dei fenomeni fisici che non erano stati previsti nelle informazioni utilizzate per dare vita alla simulazione. Spiega Dylan Nelson (del Max Planck Institute for Astrophysics, a Garching) a capo dei due studi: «Esperimenti numerici di questo tipo hanno particolarmente successo quando ne esce più di quanto sia stato inserito. Nella nostra simulazione, abbiamo osservato fenomeni che non erano stati programmati esplicitamente. Questi fenomeni sono emersi in modo naturale, dalla complessa interazione degli ingredienti della fisica di base del nostro modello di universo».

    Due esempi importanti di questo tipo di risultato sono stati il vedere formarsi, poco dopo il Big Bang, galassie a disco come la nostra Via Lattea, e in seguito il vedersi formare dei getti di gas ad alta velocità perpendicolari ai dischi galattici in formazione, ricadere poi verso il centro per alimentare il disco stesso, in una sorta di grande fontana cosmica al centro di una giostra di giovani stelle.

    Annalisa Pillepich, del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, coautrice dei due studi, spiega: «In pratica, TNG50 mostra che la nostra galassia, la Via Lattea, con il suo sottile disco è al culmine della moda delle galassie: nell’arco degli ultimi 10 miliardi di anni, quelle galassie che stanno ancora formando nuove stelle, sono diventate sempre più simili a dischi e i loro caotici movimenti interni sono diminuiti considerevolmente. L’universo era molto più disordinato quando aveva solo qualche miliardo di anni!».

    Deflussi di gas dalla galassia escono dal centro per ricadere ai lati come una immensa fontana galattica. Dall'alto, per ogni colonna, un diverso fotogramma nell'arco di 370 milioni di anni di evoluzione cosmica. Da sinistra a destra, le colonne in falsi colori mostrano la velocità dei gas, la temperatura, la densità e gli elementi pesanti contenuti nella galassia in formazione. La galassia di per sé è densa e fredda, e la vediamo con il disco sottile di giovani stelle in verticale nelle immagini (in blu in seconda colonna per la temperatura, in giallo nella terza per la densità). © D. Nelson (MPA) and the Illustris TNG team

    Man mano che la loro forma si appiattisce, e le stelle in formazione si dispongono in orbite circolari come in una giostra, ecco emergere dai dischi flussi di gas ad alta velocità, accelerati da fenomeni di supernova e dall’attività di buchi neri supermassicci centrali. Si vedono fussi gassosi inizialmente caotici che vagano in tutte le direzioni che man mano convogliano all’interno di due volumi conici, che emergono dalla galassia in direzioni opposte. Allontanandosi dal pozzo gravitazionale verso l’alone di materia oscura, perdono velocità e ricadono verso la galassia andando a disporsi lungo la periferia del disco come in una fontana. In questo modo accelerano la formazione e l’evoluzione della galassia stessa alimentando la nascita di altre giovani stelle, che vanno a disporsi in una forma sempre più appiattita di un sottile disco.

    TNG50 ha rivelato quindi per la prima volta come la geometria dei gas cosmici determinino la struttura delle galassie e di come a loro volta le galassie in formazione abbiano condizionato il fluire del caotico gas cosmico primordiale dandogli una forma sempre più ordinata.

    Come accaduto per le precedenti simulazioni, anche i dati di TNG50 diverranno pubblici, per essere condivisi con l’intera comunità astronomica oltre che con il pubblico, in modo da essere utilizzati per ulteriori studi e magari scoprire altri nuovi fenomeni cosmici non previsti, di ordine che emerge dal caos.


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    Coelum Astronomia di Novembre 2019
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