Da Francesco Garofalo La scienza compie un nuovo passo nella comprensione delle origini del cosmo. Un’imponente simulazione digitale ripercorre i primi due miliardi di anni dopo il Big Bang, ricostruendo la nascita delle galassie, l’evoluzione della materia oscura e i processi che hanno trasformato l’Universo.
L’Universo aveva appena 45 milioni di anni quando comincia la storia raccontata da Lumina, una delle più grandi e sofisticate simulazioni cosmologiche mai realizzate. Le stelle non avevano ancora illuminato lo spazio, le galassie dovevano prendere forma e immense distese di gas dominavano un cosmo profondamente diverso da quello che conosciamo oggi.
A ricostruire quell’epoca lontanissima è stato un gruppo internazionale di astrofisici che, grazie alla potenza di uno dei supercomputer più avanzati al mondo, ha riprodotto l’evoluzione dell’Universo primordiale per un periodo di circa due miliardi di anni.
Il risultato rappresenta un importante progresso nella ricerca cosmologica. Per la prima volta, una simulazione di queste dimensioni permette di osservare contemporaneamente la formazione delle strutture galattiche, il comportamento della materia oscura e due fondamentali trasformazioni della materia intergalattica: la reionizzazione dell’idrogeno e quella dell’elio.
Il progetto, denominato Lumina, è stato sviluppato da ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, del Centro per l’Astrofisica Harvard & Smithsonian e di altre istituzioni scientifiche internazionali. Lo studio è stato pubblicato il 26 ottobre 2026 sulla rivista scientifica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
La novità non riguarda soltanto la capacità di produrre immagini spettacolari dell’Universo appena nato. Il vero valore scientifico consiste nella possibilità di confrontare le previsioni teoriche con le osservazioni astronomiche, verificando quanto le attuali conoscenze riescano a spiegare i processi che hanno dato origine alle prime galassie.
Lumina ricostruisce i primi due miliardi di anni dell’Universo
Comprendere ciò che accadde immediatamente dopo il Big Bang costituisce una delle sfide più complesse dell’astrofisica contemporanea.
Secondo il modello cosmologico oggi maggiormente accettato, l’Universo ha un’età di circa 13,8 miliardi di anni. Nelle sue prime fasi era caratterizzato da temperature estremamente elevate e da una densità di materia ed energia molto superiore a quella attuale.
Con l’espansione cosmica, la temperatura diminuì progressivamente. Circa 380.000 anni dopo il Big Bang, elettroni e nuclei atomici poterono combinarsi stabilmente, dando origine soprattutto ad atomi neutri di idrogeno ed elio.
Questo passaggio rese l’Universo trasparente a gran parte della radiazione cosmica primordiale, che oggi osserviamo sotto forma di fondo cosmico a microonde.
Cominciò successivamente un periodo conosciuto come età oscura cosmica.
Non esistevano ancora stelle capaci di illuminare lo spazio. La materia si distribuiva in grandi regioni di gas, mentre la gravità iniziava lentamente a concentrare le strutture che, milioni di anni più tardi, avrebbero dato origine ai primi sistemi stellari.
Lumina ricostruisce proprio questa fase.
La simulazione parte da condizioni corrispondenti a circa 45 milioni di anni dopo il Big Bang e segue l’evoluzione della materia, dei gas e della radiazione fino a un’epoca collocata approssimativamente due miliardi di anni più tardi.
Il modello permette così di osservare come piccole differenze iniziali nella distribuzione della materia abbiano progressivamente prodotto strutture sempre più complesse.
Dalle prime concentrazioni gravitazionali emergono gli ambienti nei quali si formano le galassie. All’interno di queste strutture, il gas si addensa, favorendo la nascita delle stelle.
La luce prodotta dalle nuove popolazioni stellari modifica successivamente le condizioni fisiche dello spazio circostante, contribuendo a trasformare l’intero ambiente cosmico.
Una sequenza di fenomeni che, nella realtà, richiese centinaia di milioni di anni e che oggi può essere studiata attraverso una ricostruzione numerica.
Un Universo grande oltre un miliardo e mezzo di anni luce
Uno degli aspetti più significativi di Lumina riguarda le dimensioni della regione cosmica simulata.
Il modello comprende un volume equivalente a un cubo con un lato di circa 1,6 miliardi di anni luce, espresso scientificamente come 500 megaparsec comoventi.
Si tratta di una porzione immensa dell’Universo, sufficientemente estesa da contenere numerose strutture galattiche e da permettere lo studio delle loro interazioni su scala cosmologica.
Rispetto alle precedenti simulazioni comparabili, Lumina considera un volume oltre cento volte maggiore, mantenendo contemporaneamente un elevato livello di dettaglio.
Questa combinazione costituisce uno dei principali risultati tecnologici del progetto.
Le simulazioni cosmologiche devono infatti affrontare un problema fondamentale: rappresentare fenomeni che si sviluppano su dimensioni estremamente differenti.
Da una parte esistono strutture gigantesche, come filamenti di materia oscura e aggregazioni di galassie, che possono estendersi per centinaia di milioni di anni luce.
Dall’altra occorre descrivere processi molto più circoscritti, come la concentrazione dei gas all’interno delle galassie, la formazione stellare e l’interazione tra radiazione e materia.
Riprodurre entrambe le scale all’interno dello stesso modello richiede una capacità di calcolo eccezionale.
Lumina affronta questa difficoltà attraverso quasi mezzo trilione di elementi numerici, utilizzati per rappresentare l’evoluzione della materia ordinaria e della materia oscura.
Non significa che ogni singola particella presente nell’Universo venga ricostruita individualmente. Gli elementi della simulazione rappresentano porzioni di materia e regioni fisiche, la cui evoluzione viene calcolata attraverso modelli matematici.
La complessità deriva soprattutto dalla necessità di seguire contemporaneamente gravità, dinamica dei gas, processi termici, formazione galattica e propagazione della radiazione.
Un sistema nel quale ogni fenomeno può influenzarne altri, modificando progressivamente il risultato complessivo.
Frontier, il supercomputer che ha reso possibile Lumina
Per realizzare una simulazione di questa portata, gli scienziati hanno utilizzato Frontier, il supercomputer installato presso l’Oak Ridge National Laboratory, nello Stato americano del Tennessee.
Frontier appartiene alla categoria dei sistemi di calcolo exascale, progettati per affrontare problemi scientifici che richiedono quantità enormi di operazioni matematiche.
La simulazione ha sfruttato un’architettura capace di combinare oltre centomila nuclei di elaborazione centrale con migliaia di processori grafici ad alte prestazioni.
Il contributo delle unità grafiche è particolarmente importante per il calcolo del trasporto radiativo, cioè per la descrizione del modo in cui la radiazione attraversa il gas cosmico e ne modifica le proprietà fisiche.
Il problema non consiste semplicemente nell’eseguire un numero elevatissimo di operazioni.
Occorre anche coordinare i diversi processori, distribuire i dati, aggiornare continuamente le condizioni della simulazione e garantire che i risultati rimangano coerenti durante l’evoluzione temporale.
Un errore numerico, se non adeguatamente controllato, potrebbe propagarsi attraverso il modello e compromettere l’attendibilità delle previsioni.
Per questa ragione, le simulazioni cosmologiche richiedono anni di sviluppo, verifiche e confronti con risultati teorici e osservativi.
Lumina si basa su un’evoluzione del progetto IllustrisTNG, già utilizzato per studiare la formazione e lo sviluppo delle galassie.
I ricercatori ne hanno ampliato le capacità, integrando una descrizione più articolata del trasporto della radiazione e delle trasformazioni chimiche del gas.
Il risultato è un sistema capace di collegare la nascita delle galassie ai cambiamenti fisici che interessano lo spazio intergalattico.
La materia oscura e la nascita delle prime galassie
Per comprendere l’importanza della simulazione occorre considerare il ruolo della materia oscura.
Secondo le attuali conoscenze cosmologiche, la materia ordinaria, quella che costituisce stelle, pianeti, gas e organismi viventi, rappresenta soltanto una piccola parte del contenuto complessivo dell’Universo.
Una componente molto più abbondante è costituita dalla materia oscura, la cui natura fisica rimane ancora sconosciuta.
Non emette luce e non viene osservata direttamente attraverso i normali strumenti astronomici. La sua presenza viene dedotta principalmente dagli effetti gravitazionali esercitati sulla materia visibile e sulla propagazione della luce.
Nell’Universo primordiale, la materia oscura svolse un ruolo determinante nella formazione delle strutture cosmiche.
Le piccole irregolarità iniziali nella distribuzione della densità aumentarono progressivamente per effetto della gravità.
Si formarono così concentrazioni di materia oscura, chiamate aloni, capaci di attirare gas e favorirne l’accumulo.
Quando le condizioni fisiche lo consentivano, il gas poteva raffreddarsi e collassare, creando gli ambienti necessari alla formazione delle prime stelle.
Lumina permette di seguire questa evoluzione attraverso scale differenti.
Osservando l’intera regione simulata, emergono grandi filamenti e concentrazioni di materia che costituiscono la struttura cosmica su larga scala.
Avvicinandosi progressivamente alle singole regioni, diventano visibili gli aloni gravitazionali, le distribuzioni del gas e le strutture galattiche.
È una ricostruzione particolarmente utile perché consente di collegare fenomeni che, pur sviluppandosi a distanze enormemente differenti, appartengono alla stessa storia fisica.
Le galassie non nascono come sistemi isolati. La loro formazione dipende dall’ambiente cosmico, dalla distribuzione della materia e dalle interazioni con le strutture circostanti.
Quando le prime stelle cambiarono il destino del cosmo
La comparsa delle prime stelle rappresentò una trasformazione decisiva.
Prima della loro formazione, l’Universo era dominato da gas primordiale e da strutture gravitazionali ancora in evoluzione.
Con l’accensione delle prime stelle, lo spazio cominciò a essere attraversato da una quantità crescente di radiazione.
Le stelle più calde producevano fotoni ultravioletti sufficientemente energetici da modificare lo stato degli atomi di idrogeno presenti nel gas intergalattico.
Questo processo viene chiamato reionizzazione.
Per comprenderlo, bisogna considerare che un atomo di idrogeno neutro è formato da un protone e da un elettrone.
Quando riceve radiazione di energia sufficiente, l’elettrone può essere separato dal nucleo. L’atomo perde così la propria neutralità elettrica e diventa ionizzato.
La reionizzazione non avvenne simultaneamente in tutto l’Universo.
Le prime galassie produssero regioni ionizzate che si espansero progressivamente nello spazio circostante.
Con il passare del tempo, queste regioni aumentarono di dimensioni e iniziarono a sovrapporsi, trasformando vaste porzioni del gas cosmico.
Il processo modificò profondamente il modo in cui la radiazione interagiva con la materia.
Lumina ricostruisce questa evoluzione mostrando la progressiva espansione delle regioni ionizzate e il loro rapporto con la distribuzione delle galassie.
Il risultato permette di studiare la reionizzazione come un fenomeno complesso e disomogeneo, influenzato dalla presenza delle sorgenti luminose e dalle caratteristiche del gas.
Non tutte le regioni cosmiche attraversarono questa trasformazione nello stesso momento.
Alcune furono raggiunte rapidamente dalla radiazione prodotta dalle galassie vicine. Altre conservarono più a lungo quantità significative di idrogeno neutro.
La simulazione indica una reionizzazione dell’idrogeno relativamente tardiva, con regioni residue di gas neutro che persistono anche dopo la trasformazione della maggior parte del volume cosmico.
Si tratta di un risultato che potrà essere ulteriormente verificato attraverso il confronto con le osservazioni astronomiche.
La reionizzazione dell’elio e il ruolo dei buchi neri
Accanto alla trasformazione dell’idrogeno, Lumina descrive un secondo processo fondamentale: la reionizzazione dell’elio.
L’elio costituisce, dopo l’idrogeno, uno degli elementi più abbondanti dell’Universo primordiale.
La sua evoluzione ionica è particolarmente interessante perché richiede, in alcune fasi, radiazione molto più energetica rispetto a quella necessaria per ionizzare l’idrogeno.
La simulazione segue in particolare la trasformazione dell’elio già ionizzato una volta, che perde un ulteriore elettrone per effetto della radiazione ad alta energia.
Secondo i risultati del modello, un ruolo centrale in questo processo viene svolto dai nuclei galattici attivi, alimentati dall’accrescimento di materia intorno ai buchi neri supermassicci.
Quando gas e altra materia precipitano verso un buco nero, possono formare strutture estremamente calde e luminose.
L’energia liberata nei processi di accrescimento produce radiazione capace di attraversare grandi distanze cosmiche.
Tra gli oggetti più luminosi associati a questi fenomeni figurano i quasar.
La radiazione proveniente da tali sorgenti contribuisce a modificare lo stato dell’elio presente nello spazio intergalattico.
Lumina consente di rappresentare questo fenomeno insieme alla formazione delle galassie e alla precedente reionizzazione dell’idrogeno.
È proprio l’integrazione dei due processi, all’interno di un unico modello cosmologico di grandi dimensioni, a distinguere il progetto.
La simulazione suggerisce che le prime popolazioni stellari abbiano fornito il contributo principale alla reionizzazione dell’idrogeno, mentre la successiva trasformazione dell’elio sia stata guidata soprattutto dalla radiazione prodotta dai nuclei galattici attivi.
Questa differenza evidenzia come l’evoluzione dell’Universo sia stata determinata da sorgenti energetiche diverse, attive in epoche e condizioni differenti.
Il telescopio James Webb e il confronto con l’Universo reale
Una delle applicazioni più promettenti di Lumina riguarda l’interpretazione delle osservazioni astronomiche.
Il telescopio spaziale James Webb ha aperto nuove possibilità nello studio delle galassie molto lontane, permettendo di osservare sistemi formatisi quando l’Universo era ancora giovane.
La luce proveniente da questi oggetti ha impiegato miliardi di anni per raggiungerci.
Osservarli significa quindi raccogliere informazioni su epoche remote della storia cosmica.
Tuttavia, le immagini e gli spettri ottenuti dai telescopi non forniscono automaticamente una spiegazione completa dei fenomeni osservati.
Per comprendere come una galassia si sia formata, quanto rapidamente abbia prodotto stelle e quali condizioni fisiche abbiano caratterizzato il suo ambiente, è necessario confrontare i dati con modelli teorici.
Lumina nasce anche per rispondere a questa esigenza.
La simulazione produce popolazioni di galassie e strutture cosmiche che possono essere confrontate con quelle individuate dagli strumenti astronomici.
Quando le previsioni coincidono con le osservazioni, gli scienziati ottengono elementi a sostegno dei modelli utilizzati.
Quando emergono differenze significative, diventa necessario verificare quali processi fisici possano essere stati descritti in maniera incompleta.
Questo aspetto assume particolare rilievo alla luce delle osservazioni di galassie molto massicce nell’Universo primordiale.
Alcuni risultati del James Webb hanno infatti sollevato interrogativi sulla rapidità con cui determinate strutture galattiche potrebbero essersi sviluppate.
Anche Lumina presenta limiti nella riproduzione dell’abbondanza di alcune galassie estremamente massicce alle epoche più remote considerate.
Il modello tende a prevederne un numero inferiore rispetto a quello suggerito da determinate osservazioni.
La discrepanza non dimostra automaticamente che le attuali teorie cosmologiche siano errate.
Indica piuttosto la necessità di approfondire i processi di formazione stellare, l’evoluzione delle galassie e le incertezze che accompagnano sia le simulazioni sia le misurazioni astronomiche.
In questo senso, il valore di Lumina consiste anche nella capacità di rendere più precise le domande scientifiche ancora aperte.
Le nuove prospettive per l’astronomia del futuro
La simulazione è stata progettata per essere utilizzata dalla comunità scientifica anche in relazione alle osservazioni dei telescopi di nuova generazione.
Tra questi assume particolare importanza il Nancy Grace Roman Space Telescope, concepito per effettuare osservazioni astronomiche su ampie regioni del cielo.
La combinazione tra strumenti capaci di osservare grandi popolazioni galattiche e simulazioni cosmologiche di elevata estensione potrà consentire confronti statistici più accurati.
Le dimensioni di Lumina rappresentano, sotto questo profilo, un vantaggio sostanziale.
Un modello che comprende una regione cosmica molto ampia permette infatti di studiare anche fenomeni relativamente rari, difficili da rappresentare in simulazioni limitate a volumi più piccoli.
È il caso di alcuni quasar particolarmente luminosi e delle grandi regioni ionizzate prodotte dalla loro attività.
La simulazione potrà inoltre contribuire allo studio della distribuzione del gas intergalattico e delle tracce lasciate dalla radiazione lungo il percorso verso la Terra.
Tra gli strumenti di indagine rientra l’analisi dell’assorbimento della luce proveniente da sorgenti molto lontane.
Quando questa radiazione attraversa nubi di gas, alcune lunghezze d’onda vengono assorbite in maniera caratteristica.
Gli astronomi possono utilizzare tali segnali per ricostruire le proprietà fisiche e la distribuzione della materia presente tra le galassie.
Lumina consente di prevedere come questi fenomeni dovrebbero manifestarsi in differenti condizioni cosmologiche.
Un ulteriore ambito riguarda lo studio del segnale radio associato all’idrogeno neutro, particolarmente importante per ricostruire le epoche precedenti e contemporanee alla reionizzazione.
Il confronto tra osservazioni e simulazioni potrà contribuire a definire meglio la cronologia delle trasformazioni attraversate dall’Universo primordiale.
I ricercatori prevedono inoltre di utilizzare il modello per approfondire la formazione delle strutture su larga scala e valutare possibili segnali gravitazionali associati all’evoluzione delle galassie e dei buchi neri.
Sono prospettive di ricerca che richiederanno ulteriori analisi e verifiche.
Una ricostruzione scientifica, non una fotografia del passato
Le immagini prodotte da Lumina mostrano filamenti cosmici, concentrazioni di materia, galassie e regioni attraversate dalla radiazione.
La loro complessità visiva può dare l’impressione di osservare direttamente l’Universo delle origini.
Occorre però distinguere la rappresentazione numerica dall’osservazione astronomica.
Lumina non è una registrazione del passato cosmico e non costituisce una fotografia autentica delle prime galassie.
È una simulazione costruita applicando modelli fisici e condizioni iniziali derivate dalle conoscenze scientifiche disponibili.
I colori utilizzati nelle visualizzazioni servono a rappresentare proprietà come densità, temperatura, velocità del gas o stato di ionizzazione.
Non corrispondono necessariamente ai colori che un osservatore umano percepirebbe trovandosi all’interno delle regioni rappresentate.
Questa distinzione è fondamentale per interpretare correttamente i risultati.
Una simulazione può riprodurre con grande accuratezza i fenomeni descritti dalle equazioni utilizzate, ma rimane dipendente dalle ipotesi teoriche, dai parametri fisici e dalla risoluzione numerica adottata.
Anche Lumina presenta limiti.
Per quanto elevata, la sua risoluzione non permette di descrivere direttamente ogni singola stella o tutti i processi microscopici che avvengono all’interno delle galassie.
Alcuni fenomeni devono necessariamente essere rappresentati attraverso modelli che ne approssimano gli effetti su scale più grandi.
L’attendibilità scientifica deriva quindi dalla capacità di confrontare le previsioni con osservazioni indipendenti e con altre simulazioni.
La ricerca cosmologica procede proprio attraverso questo continuo rapporto tra teoria, calcolo e verifica sperimentale.
Il contributo di Lumina alla comprensione del Big Bang
La realizzazione di Lumina segna un progresso importante, ma non risolve tutti gli interrogativi sulle origini dell’Universo.
La simulazione non descrive il momento iniziale del Big Bang e non fornisce una spiegazione definitiva di ciò che potrebbe averlo preceduto.
Il suo campo di indagine riguarda una fase successiva, quando l’Universo aveva già attraversato le prime trasformazioni fondamentali e la materia iniziava a organizzarsi nelle strutture che avrebbero dato origine alle galassie.
Rimangono aperte questioni essenziali.
La natura della materia oscura continua a essere sconosciuta. I meccanismi che hanno regolato la formazione delle primissime stelle richiedono ulteriori approfondimenti. Anche il rapporto tra crescita dei buchi neri, attività galattica e trasformazione del gas cosmico presenta aspetti ancora da chiarire.
Lumina offre uno strumento per affrontare alcune di queste domande attraverso un modello che collega processi fisici differenti.
Il progetto permette soprattutto di studiare l’Universo come un sistema nel quale materia, gravità e radiazione si influenzano reciprocamente.
Le prime stelle modificano il gas circostante. Le galassie crescono all’interno delle strutture gravitazionali dominate dalla materia oscura. I buchi neri attivi producono radiazione capace di alterare le condizioni fisiche dello spazio intergalattico.
Ogni trasformazione contribuisce a determinare le condizioni nelle quali si sviluppano quelle successive.
È questa continuità a rendere particolarmente interessante la ricostruzione.
La storia dell’Universo non appare come una semplice successione di eventi isolati, ma come un processo fisico complesso nel quale strutture e fenomeni si sviluppano attraverso interazioni reciproche.
Dalle età oscure alle galassie: una nuova frontiera della cosmologia
La pubblicazione dei risultati di Lumina arriva in una fase particolarmente significativa per l’astronomia.
La disponibilità di telescopi sempre più sensibili consente di osservare regioni dell’Universo che fino a pochi anni fa erano difficilmente accessibili.
Parallelamente, l’evoluzione dei sistemi di calcolo permette di realizzare modelli numerici capaci di rappresentare fenomeni su scale un tempo impraticabili.
L’incontro tra queste due capacità sta modificando profondamente il modo in cui gli astronomi studiano la storia cosmica.
Le osservazioni forniscono informazioni sulla luce che raggiunge gli strumenti scientifici. Le simulazioni permettono di verificare quali processi fisici possano aver prodotto i fenomeni osservati.
Nessuno dei due strumenti, considerato isolatamente, è sufficiente a ricostruire l’intera evoluzione dell’Universo.
La loro integrazione offre però possibilità di indagine sempre più precise.
Lumina rappresenta un risultato significativo di questa collaborazione tra astrofisica teorica, astronomia osservativa e informatica scientifica.
La sua importanza non dipende esclusivamente dalle dimensioni del volume simulato o dalla potenza dei processori impiegati.
Il contributo più rilevante consiste nella possibilità di seguire, all’interno di un unico quadro fisico, la formazione delle galassie e le trasformazioni della materia intergalattica durante una delle epoche decisive della storia cosmica.
Le future osservazioni permetteranno di stabilire quali previsioni del modello trovino conferma e quali richiedano ulteriori revisioni.
Per gli scienziati, la ricostruzione dei primi due miliardi di anni dell’Universo costituisce dunque un nuovo punto di partenza.
Per comprendere come si sia formato il cosmo che osserviamo oggi, occorre infatti risalire alle condizioni nelle quali la materia cominciò a organizzarsi, le prime stelle accesero la propria luce e le galassie iniziarono a trasformare lo spazio circostante.
Lumina rende questa storia più accessibile all’indagine scientifica, offrendo una rappresentazione dettagliata dei processi che hanno accompagnato il passaggio dalle età oscure cosmiche all’Universo popolato di stelle e galassie.
Resta ancora molto da scoprire. Ma la possibilità di confrontare una ricostruzione così ampia e articolata con le osservazioni astronomiche rappresenta un progresso concreto verso una comprensione più completa delle nostre origini cosmiche.
Redazione