Simulazioni numeriche
Come si può dedurre da molti dei paragrafi precedenti, le simulazioni numeriche cosmologiche hanno assunto grande rilevanza nello studio della struttura su grande scala dell’Universo per quanto riguarda la modellistica teorica, l’interpretazione dei dati osservativi e la pianificazione di progetti futuri. In ambito astronomico si possono distinguere due diverse categorie di simulazioni, quelle a N-corpi (N-body) e quelle idrodinamiche. Le simulazioni a N corpi descrivono unicamente la crescita gravitazionale delle strutture in un Universo in espansione, partendo da date condizioni iniziali. Tali simulazioni descrivono sostanzialmente il comportamento della materia oscura, che è dominante sulla materia ordinaria, ma non considerano gli effetti dissipativi che avvengono invece nella materia cosiddetta barionica. Per fare ciò si devono utilizzare simulazioni idrodinamiche, che assieme all’evoluzione gravitazionale cercano di riprodurre entro certe approssimazioni il comportamento del gas (riscaldamento, raffreddamento) e l’innesco della formazione delle stelle. Ciascuna di queste categorie generali può essere ulteriormente suddivisa tra simulazioni su larga scala di volumi cosmologici di diverse centinaia di Mpc e quelle che invece si focalizzano sullo studio ad alta risoluzione di singoli oggetti (come galassie e ammassi di galassie).
La formazione stellare, le esplosioni di supernove, il rilascio di energia da accrescimento di materia su buchi neri super-massicci, i campi magnetici, l’iniezione di raggi cosmici sono esempi di fenomeni, inclusi nelle simulazioni oggigiorno più avanzate, assolutamente fondamentali nel determinare l’evoluzione delle galassie e la loro interazione con il gas diffuso nel mezzo inter-galattico (IGM). Anche se l’effetto di tali fenomeni si manifesta su scale relativamente grandi e ben risolte nelle simulazioni, essi hanno origine su scale dell’ordine di qualche anno luce, che nelle simulazioni cosmologiche sono assolutamente inaccessibili per semplici limiti computazionali. Per questo motivo, tali fenomeni fisici sono usualmente modellati con ricette analitiche che permettono di stimarne l’effetto sulle scale più grandi che sono invece trattate direttamente dal programma. In tale contesto, i modelli semi-analitici (SAM) di formazione delle galassie rappresentano un approccio assolutamente complementare alle simulazioni numeriche dirette. Infine, la descrizione fisica del mezzo intergalattico attraverso le fasi della re-ionizzazione e nella successiva evoluzione richiede di tener conto in modo dettagliato dell’interazione tra gas e radiazione elettromagnetica emessa da sorgenti astrofisiche, che in tale mezzo si propaga. Tale campo è da considerarsi ancora relativamente giovane e quindi suscettibile di notevoli sviluppi nel futuro prossimo. Anche in questo campo la comunità italiana si presenta ai vertici mondiali, sebbene penalizzata rispetto ad altre nazioni dal limitato numero di centri di supercalcolo a disposizione.
