La Macchina di Dio nel seminterrato di Durham

Per settantadue milioni di ore, un supercomputer in un angolo tranquillo dell'Inghilterra settentrionale ha elaborato le leggi della fisica finché non ha sputato un fantasma. Non si trattava di un glitch o di una sequenza casuale di numeri, ma di un riflesso: un universo sintetico così preciso che i suoi creatori sostengono sia indistinguibile da quello che abitiamo realmente. Quando le immagini sono finalmente apparse sui monitor alla Durham University, i ricercatori non stavano guardando approssimazioni sgranate; stavano osservando galassie che condividevano esattamente le luminosità, i colori e gli ammassi delle stelle che vediamo attraverso i telescopi più potenti esistenti.

Questo non è stato un progetto nato dal desiderio di giocare a fare Dio. È stato un disperato tentativo di salvare l'attuale versione della realtà. Negli ultimi due anni, il mondo della cosmologia è stato in uno stato di quieto panico. I dati provenienti dal James Webb Space Telescope (JWST) si sono comportati in modo anomalo, mostrandoci galassie antiche che sono troppo grandi e troppo luminose perché le nostre attuali teorie possano spiegarle. Alcuni fisici avevano iniziato a sussurrare che il nostro "modello standard" dell'universo fosse rotto oltre ogni possibilità di riparazione. Il progetto COLIBRE — il risultato di dieci anni di duro lavoro internazionale — è stato costruito per scoprire se la matematica regge ancora o se dobbiamo stracciare il libro delle regole e ricominciare da capo.

La pura portata dei calcoli coinvolti è difficile da afferrare senza una birra e una calcolatrice. Per eseguire la versione più grande di questa simulazione, il supercomputer COSMA8 ha lavorato per l'equivalente di 8.219 anni di vita di un singolo processore. Se aveste provato a farlo sul vostro portatile da gaming di fascia alta, la macchina si sarebbe probabilmente sciolta in una pozzanghera di silicio prima di completare un singolo miliardesimo del lavoro. Questo massiccio investimento di energia digitale è stato necessario perché il team ha deciso di smettere di prendere le scorciatoie che hanno afflitto le simulazioni spaziali per decenni.

Il muro dei diecimila gradi

Per capire perché questa simulazione sia diversa, dovete capire perché le precedenti erano essenzialmente dei cartoni animati. Lo spazio è grande, ma è anche disordinato. Finora, gli astronomi faticavano a modellare i gas "freddi", ovvero tutto ciò che si trova al di sotto dei circa 10.000 gradi Fahrenheit. Sebbene per un essere umano questo sembri un altoforno, in termini cosmici è praticamente il congelamento. Poiché questi gas freddi e le nubi di polvere che trasportano si comportano in modi incredibilmente complessi e turbolenti, le simulazioni precedenti li escludevano semplicemente. Impostavano un limite rigido a 10.000 gradi e speravano che i dati mancanti non contassero troppo.

Carlos Frenk, fisico presso la Durham University e uno dei principali architetti del progetto, ha descritto il momento del completamento come "esaltante". Una cosa è avere una teoria sulla carta; un'altra è guardare una macchina seguire quella teoria e costruire una galassia che appare esattamente come quella che vedi quando punti un telescopio verso il cielo. Se la simulazione avesse prodotto qualcos'altro — ammassi di materia che non si aggregavano o stelle che si spegnevano troppo in fretta — sarebbe stata l'ultima chiodo sulla bara per la nostra comprensione del cosmo.

Perché la fisica stava affrontando una crisi di mezza età

La tensione che guida questo progetto deriva da una serie specifica di osservazioni che infestano i corridoi della NASA. Quando il JWST è stato lanciato, ha iniziato a vedere cose che non avrebbe dovuto: galassie massicce nell'universo primordiale. Secondo il modello standard, queste galassie non avrebbero dovuto avere abbastanza tempo per diventare così grandi. È stato come entrare in un asilo nido e trovare un neonato alto un metro e ottanta e capace di recitare Shakespeare. Non aveva senso e ha portato a una raffica di titoli che suggerivano che il Big Bang non fosse mai avvenuto o che la gravità funzioni in modo diverso da quanto pensassimo.

Tuttavia, la simulazione non ha offerto solo conforto. Ha anche evidenziato un problema evidente, color rubino, che i fisici stanno ancora faticando a spiegare. Anche con 72 milioni di ore di potenza di supercalcolo, il modello non riesce ancora a rendere conto appieno dei "Little Red Dots" (piccoli punti rossi). Si tratta di una classe di oggetti incredibilmente luminosi e compatti scoperti dal JWST che esistevano quando l'universo aveva meno di un miliardo di anni. Sembrano galassie, ma sono troppo dense e sembrano scomparire man mano che l'universo invecchia. Sono l'equivalente cosmico di una storia di fantasmi: ci sono un minuto, scompaiono quello dopo, e si rifiutano di seguire le regole.

I compromessi del giocare a fare Dio virtualmente

Ogni simulazione è un compromesso tra precisione e scala. Anche con la potenza di COSMA8, i ricercatori hanno dovuto fare delle scelte. Possono modellare un volume massiccio dell'universo, ma non possono vedere ogni singolo sassolino o asteroide. Stanno guardando la scala "macro" — il modo in cui la materia oscura attira il gas, il modo in cui i buchi neri al centro delle galassie spingono il materiale nello spazio e come queste forze si bilanciano nel corso di miliardi di anni. Questo è un gioco di contabilità cosmica e, per la prima volta, i conti sembrano finalmente tornare.

Il vero valore di COLIBRE non risiede solo nel dimostrare che abbiamo ragione; sta nel fornirci un parco giochi per testare dove potremmo avere torto. Se vogliamo sapere cosa succede se la materia oscura è "calda" invece che "fredda", o se vogliamo vedere come un diverso tipo di crescita dei buchi neri influenzi la forma di una galassia a spirale, non dobbiamo aspettare miliardi di anni per un esperimento nel mondo reale. Basta cambiare una riga di codice ed eseguire di nuovo la simulazione. È un laboratorio in cui il campione è l'intero universo.

C'è anche un costo umano in questo tipo di lavoro che spesso non viene menzionato. Un decennio della vita di uno scienziato è un prezzo pesante da pagare per un software. Il team di Durham e i loro partner internazionali hanno trascorso anni a perfezionare la fisica "sub-grid" — i minuscoli dettagli granulari che dettano come le stelle si accendono e muoiono. È un lavoro logorante di debug, test e fallimenti, tutto per produrre un risultato che, se funziona perfettamente, appare esattamente come ciò che già conosciamo. È il paradosso supremo della scienza: lavori per dieci anni solo per dimostrare che il mondo è esattamente come sospettavi che fosse.

Un universo fatto di matematica

Uno dei risultati più profondi del progetto COLIBRE è la conferma che il nostro universo è fondamentalmente matematico. C'è qualcosa di profondamente inquietante — e forse leggermente confortante — nel fatto che si possano inserire equazioni di base di gravità, termodinamica e fluidodinamica in una macchina e ottenere un "universo" dall'altra parte. Ciò suggerisce che la complessità che vediamo quando guardiamo la Via Lattea non è un colpo di fortuna o un miracolo; è un'inevitabilità. Se hai gli ingredienti giusti e le regole giuste, le stelle non hanno altra scelta se non quella di formarsi.

Per ora, il modello standard vive per combattere un altro giorno. È sopravvissuto al primo contatto con il James Webb Space Telescope, in gran parte grazie al duro lavoro svolto in quel seminterrato di Durham. Potremmo vivere in un universo disordinato, freddo e pieno di polvere, ma almeno possiamo finalmente dire di sapere come si deposita quella polvere. E per quanto riguarda le cose che la simulazione non riesce ancora a spiegare? Quelle sono le parti che rendono i prossimi settantadue milioni di ore degni di essere attesi.