Come fanno due stelle appena nate a trovarsi, avvicinarsi e restare legate gravitazionalmente in tempi così brevi? La risposta potrebbe nascondersi nei campi magnetici che avvolgono le regioni dove si formano le stelle. Nuove simulazioni al supercomputer hanno rivelato un meccanismo affascinante: questi campi agiscono come una sorta di freno cosmico, sottraendo momento angolare e permettendo a due protostelle di spiralare l’una verso l’altra invece di allontanarsi. Un risultato che ribalta parecchie assunzioni precedenti sulla formazione dei sistemi stellari binari.

Le stelle, va ricordato, nascono dentro enormi nubi di gas e polvere. Quando parti di queste nubi collassano sotto la propria gravità, si creano regioni dense chiamate nuclei molecolari. Ed è qui che tutto comincia. Spesso le stelle non si formano da sole ma in gruppo, e in molti casi due di queste protostelle finiscono per legarsi gravitazionalmente, dando vita a un sistema binario. Le osservazioni astronomiche mostrano che questo legame si stabilisce molto presto, quando le stelle non sono nemmeno completamente formate. Il problema è che nessuno riusciva a spiegare come potesse accadere così in fretta.

Le simulazioni col supercomputer ATERUI III

Per venirne a capo, un team di ricercatori ha condotto simulazioni avanzate utilizzando diversi supercomputer, tra cui il sistema ATERUI III dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone e il suo predecessore, ATERUI II. I risultati sono stati piuttosto eloquenti. I campi magnetici che attraversano il gas circostante riescono effettivamente ad avvicinare le protostelle tra loro. L’interazione tra campo magnetico e gas rimuove momento angolare dalla coppia, consentendo ai due oggetti di spiralare verso l’interno e formare un sistema binario entro tempistiche realistiche.

Il dettaglio più interessante? Quando i ricercatori hanno eseguito una simulazione escludendo completamente i campi magnetici, le protostelle si sono allontanate invece di avvicinarsi. Una prova abbastanza netta del ruolo fondamentale che questa forza invisibile gioca nel processo.

Possibili implicazioni per la fusione dei buchi neri

Ma la cosa non finisce qui. Lo stesso meccanismo potrebbe funzionare anche su scala molto più grande. I buchi neri binari massicci, quelli che si trovano nei centri ricchi di gas delle galassie appena formate, potrebbero perdere momento angolare attraverso interazioni simili che coinvolgono i campi magnetici. Questo spiegherebbe come coppie di buchi neri giganti riescano ad avvicinarsi abbastanza da fondersi, un passaggio considerato cruciale nella formazione dei buchi neri supermassicci dopo la collisione tra galassie.

Simulare direttamente l’evoluzione a lungo termine di questi sistemi estremi resta una sfida computazionale enorme, per via delle scale temporali coinvolte. Serviranno ulteriori studi per capire fino in fondo quanto i campi magnetici influenzino il comportamento e la fusione di questi oggetti cosmici. Ma il passo avanti è significativo: quella che sembrava una questione irrisolvibile ora ha almeno un candidato forte come risposta. E arriva, ancora una volta, da qualcosa che non si vede ma che governa il cosmo più di quanto si pensi.

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Le simulazioni al supercomputer più avanzate mai realizzate potrebbero aver finalmente risolto uno dei grandi enigmi dell’astrofisica: come nascono i campi magnetici cosmici su larga scala a partire dal caos turbolento dello spazio. Un team guidato da scienziati della University of Wisconsin-Madison ha pubblicato su Nature i risultati di un lavoro computazionale colossale, capace di riscrivere parecchie pagine di quello che sappiamo su stelle, buchi neri e tempeste solari.

Il punto di partenza è semplice da capire, anche se la soluzione non lo è affatto. I campi magnetici sono ovunque nell’universo: nei pianeti, nelle stelle, nelle galassie intere. Influenzano le tempeste solari, il movimento delle particelle ad alta energia, persino la formazione delle galassie. Il problema è che, su piccola scala, questi campi sono disordinati e turbolenti, mentre su grande scala appaiono sorprendentemente organizzati. Per decenni nessuno è riuscito a spiegare come il disordine cosmico potesse generare strutture così ordinate. Le simulazioni al supercomputer condotte dal team hanno utilizzato 137 miliardi di punti griglia nello spazio tridimensionale, producendo 0,25 petabyte di dati e consumando quasi 100 milioni di ore di calcolo sul supercomputer Anvil della Purdue University. Circa 90 simulazioni in totale, un’impresa computazionale senza precedenti.

Il ruolo dei gradienti di velocità nella formazione dei campi magnetici

La chiave della scoperta sta in un concetto che, nella vita quotidiana, si può immaginare così: un ciclista che sbatte contro un marciapiede subisce un brusco gradiente di velocità, perché la bici si ferma ma il corpo continua a muoversi in avanti. Effetti simili si verificano all’interno del Sole, durante le fusioni di stelle di neutroni e in molti altri contesti cosmici. Il team ha inserito nelle simulazioni un gradiente di velocità costantemente rinnovato, e il risultato è stato sorprendente: dal caos iniziale emergevano col tempo strutture magnetiche ampie e ordinate. Quando lo stesso esperimento veniva ripetuto senza mantenere quel gradiente, le strutture organizzate semplicemente non comparivano. Il sistema restava caotico. Come ha sottolineato Bindesh Tripathi, primo autore dello studio e attualmente ricercatore alla Columbia University, la turbolenza è nota per essere un agente distruttivo, eppure in presenza di quel gradiente riesce a costruire qualcosa di ordinato.

Implicazioni per buchi neri, stelle di neutroni e meteo spaziale

Per quasi 70 anni gli scienziati hanno studiato le cosiddette dinamo magnetiche, cioè i processi che generano campi magnetici, ottenendo quasi sempre risultati frustranti: i campi generati restavano piccoli e disordinati, in netto contrasto con le osservazioni astronomiche reali. Paul Terry, professore di fisica alla UW-Madison e coautore senior dello studio, ha definito questo lavoro come una potenziale risoluzione di un problema annoso. E anche se la teoria non può essere testata direttamente in ambienti cosmici lontani, esperimenti di laboratorio condotti nel 2012 al Wisconsin Plasma Physics Laboratory sembrano supportare i nuovi risultati. All’epoca si osservarono comportamenti dei campi magnetici che nessun modello riusciva a spiegare. Il modello sviluppato da Tripathi e colleghi si allinea molto meglio con quei dati sperimentali. Le ricadute pratiche delle simulazioni al supercomputer sono potenzialmente enormi: dalla comprensione della dinamica magnetica nelle fusioni di stelle di neutroni e nella formazione dei buchi neri, fino alla capacità di prevedere le espulsioni di gas dal Sole verso la Terra, un tema che riguarda direttamente la sicurezza delle infrastrutture tecnologiche terrestri. La ricerca, finanziata dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, segna un passo avanti che potrebbe cambiare il modo in cui guardiamo il magnetismo cosmico. E tutto è partito, in fondo, da una simulazione e dalla curiosità di capire come il caos possa generare ordine.

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Simulare materiali quantistici così complessi da mettere in ginocchio i supercomputer più potenti al mondo sembrava un’impresa fuori portata. Eppure un nuovo algoritmo quantistico sviluppato dai ricercatori della Aalto University ha fatto esattamente questo, aprendo scenari che fino a poco tempo fa appartenevano alla fantascienza. Il team finlandese ha trovato il modo di simulare i cosiddetti quasicristalli, strutture quantistiche dalla complessità matematica spaventosa, con una velocità che lascia senza parole.

Per capire la portata della cosa, basta un numero: simulare un quasicristallo può richiedere l’elaborazione di oltre un quadrilione di valori numerici. Parliamo di una scala che va ben oltre le capacità di qualsiasi supercomputer attualmente esistente. L’algoritmo quantistico messo a punto dal gruppo guidato dal professor Jose Lado aggira il problema in modo elegante, riformulando l’intera sfida con tecniche ispirate al funzionamento dei computer quantistici. In pratica, anziché tentare un calcolo diretto della struttura completa del materiale, il sistema sfrutta le cosiddette reti tensoriali per codificare spazi computazionali esponenzialmente grandi. Il risultato? Un quasicristallo con oltre 268 milioni di siti simulato quasi istantaneamente.

Dai quasicristalli topologici ai qubit del futuro

Al centro della ricerca ci sono i quasicristalli topologici, materiali particolarissimi che ospitano eccitazioni quantistiche non convenzionali. Queste eccitazioni hanno una proprietà molto interessante: proteggono la conduttività elettrica dal rumore e dalle interferenze. Un dettaglio tutt’altro che trascurabile quando si pensa alle applicazioni pratiche, come l’elettronica a dissipazione zero, capace di condurre elettricità senza perdite di energia. In un’epoca in cui i data center per l’intelligenza artificiale divorano quantità enormi di energia, una tecnologia del genere potrebbe fare la differenza.

Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters come Editor’s Suggestion, è stato condotto dal dottorando Tiago Antão insieme a Yitao Sun e Adolfo Fumega. La parte sperimentale vera e propria non c’è ancora, il lavoro resta per ora su base teorica e simulativa. Ma il passo successivo è già in vista: Lado ha spiegato che l’algoritmo quantistico potrà essere adattato per funzionare su hardware quantistico reale, non appena le macchine raggiungeranno la scala e la fedeltà necessarie. L’infrastruttura finlandese AaltoQ20 potrebbe giocare un ruolo chiave in questa fase.

Un circolo virtuoso tra materiali e algoritmi

C’è un aspetto che rende questa ricerca ancora più affascinante. Il professor Lado parla di un “ciclo di feedback produttivo” tra materiali quantistici e computer quantistici. In sostanza, gli algoritmi ispirati al quantum computing permettono di progettare nuovi materiali, che a loro volta serviranno a costruire computer quantistici migliori. È un circolo virtuoso, una spirale positiva che potrebbe accelerare enormemente lo sviluppo tecnologico del settore.

Il progetto rientra nel grant ERC Consolidator ULTRATWISTROICS di Lado, focalizzato sulla progettazione di qubit topologici con materiali van der Waals, e nel Centro di Eccellenza QMAT dedicato alle tecnologie quantistiche. Progettare e studiare materiali esotici potrebbe diventare una delle prime applicazioni davvero pratiche del quantum computing. E questo algoritmo quantistico, nato in un laboratorio di Helsinki, potrebbe essere il punto di partenza.

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Simulare un computer quantistico a 50 qubit sembrava un traguardo ancora lontano. E invece il supercomputer JUPITER, la prima macchina exascale europea, ha appena frantumato ogni aspettativa, portando a termine per la prima volta nella storia una simulazione completa di questa portata. Il risultato, ottenuto dai ricercatori del Jülich Supercomputing Centre in collaborazione con NVIDIA, supera il precedente record di 48 qubit stabilito nel 2019 sempre dal centro di ricerca tedesco, ma sulla ormai pensionata macchina giapponese K.

Per capire perché questo traguardo fa così rumore, basta pensare a un dettaglio: ogni qubit aggiunto raddoppia la memoria e la potenza di calcolo necessarie. Un portatile normale gestisce simulazioni da circa 30 qubit. Arrivare a 50 richiede qualcosa come 2 petabyte di memoria, circa due milioni di gigabyte. Numeri che solo i supercomputer più potenti al mondo possono maneggiare. JUPITER, inaugurato ufficialmente presso il Forschungszentrum Jülich nel settembre scorso, è esattamente quel tipo di macchina.

Ma a cosa serve davvero simulare un computer quantistico su un supercomputer tradizionale? La risposta è meno scontata di quanto sembri. Queste simulazioni permettono agli scienziati di testare algoritmi, verificare risultati sperimentali e capire come si comporteranno i futuri sistemi quantistici prima ancora che l’hardware reale sia abbastanza maturo. Tra gli algoritmi più interessanti ci sono il Variational Quantum Eigensolver, utile per studiare molecole e materiali, e il Quantum Approximate Optimisation Algorithm, pensato per problemi di ottimizzazione nella logistica, nella finanza e nell’intelligenza artificiale.

Come i chip NVIDIA GH200 hanno reso possibile l’impresa

Il cuore tecnologico di questa impresa è rappresentato dai chip NVIDIA GH200 Superchips integrati nel sistema JUPITER. Questi componenti collegano in modo stretto processori centrali e unità grafiche, permettendo ai dati che superano la capacità della memoria GPU di essere temporaneamente spostati nella memoria CPU senza perdere prestazioni significative. Una soluzione elegante a un problema enorme.

Per sfruttare al massimo questa architettura, gli ingegneri del NVIDIA Application Lab hanno aggiornato il software di simulazione quantistica di Jülich, trasformandolo in una nuova versione chiamata JUQCS-50. Il software aggiornato riesce a eseguire calcoli quantistici anche quando parte dei dati migra verso la memoria CPU. In più, una tecnica di compressione byte encoding riduce i requisiti di memoria di un fattore otto, mentre un sistema di ottimizzazione dinamica migliora continuamente lo scambio dati tra oltre 16.000 chip GH200.

Durante la simulazione, ogni singola operazione quantistica influenza più di 2 quadrilioni di valori numerici complessi. Per rendere l’idea, parliamo di un “2” seguito da 15 zeri. Tutti questi valori devono restare sincronizzati su migliaia di nodi di calcolo per riprodurre fedelmente il comportamento di un vero processore quantistico. Una sfida che fa girare la testa anche solo a descriverla.

Un traguardo che guarda al futuro della ricerca quantistica

Il software JUQCS-50 non resterà chiuso nei laboratori di Jülich. Verrà reso disponibile a organizzazioni di ricerca esterne e aziende attraverso JUNIQ, l’infrastruttura unificata per il quantum computing del centro tedesco. L’obiettivo è duplice: da un lato offrire uno strumento scientifico potente, dall’altro creare un parametro di riferimento per valutare le prestazioni dei futuri supercomputer.

Il progetto è nato nell’ambito del JUPITER Research and Early Access Programme, che ha permesso una progettazione congiunta di hardware e software durante la fase di costruzione del supercomputer. Una collaborazione stretta tra gli esperti di Jülich e NVIDIA che, secondo i protagonisti, rappresenta un passo fondamentale per sfruttare appieno il potenziale di questo sistema exascale.

Il finanziamento di JUPITER arriva da più fonti: metà dal programma europeo EuroHPC JU, un quarto dal Ministero federale tedesco della Ricerca e il restante quarto dal Ministero della Cultura e della Scienza del Land Nordreno-Vestfalia. Un investimento europeo che, a giudicare dai risultati, sta già ripagando abbondantemente.

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Le stelle giganti rosse nascondevano un mistero che resisteva da mezzo secolo, e ora finalmente qualcuno ha trovato la chiave per risolverlo. Un gruppo di astronomi dell’Università di Victoria e dell’Università del Minnesota ha utilizzato simulazioni con supercomputer di ultima generazione per capire come il materiale prodotto nelle profondità di queste stelle riesca a raggiungere la superficie. La risposta, pubblicata sulla rivista Nature Astronomy, è tanto elegante quanto potente: tutto dipende dalla rotazione stellare.

Per chi non mastica astrofisica tutti i giorni, vale la pena fare un passo indietro. Stelle come il nostro Sole, quando esauriscono l’idrogeno nel nucleo, si espandono enormemente fino a diventare giganti rosse, arrivando anche a cento volte le dimensioni originali. Fin dagli anni Settanta gli astronomi avevano notato che la composizione chimica sulla superficie di queste stelle cambiava durante questa fase, con variazioni nei rapporti tra carbonio 12 e carbonio 13 che non avevano una spiegazione convincente. Le reazioni nucleari nel nucleo alterano la chimica interna, certo, ma tra il nucleo e l’involucro convettivo esterno c’è una barriera stabile che, in teoria, dovrebbe impedire al materiale di spostarsi verso l’alto. Eppure qualcosa evidentemente passava.

La rotazione stellare: il pezzo mancante del puzzle

Simon Blouin, ricercatore post dottorato a Victoria e autore principale dello studio, ha spiegato che grazie a simulazioni 3D ad alta risoluzione il team è riuscito a identificare l’impatto della rotazione sulla capacità degli elementi di attraversare quella barriera. Le onde interne generate dai moti convettivi nell’involucro esterno riescono a penetrare lo strato di separazione, ma le simulazioni precedenti mostravano un trasporto di materiale quasi trascurabile. La novità sta nel fatto che la rotazione della stella amplifica drasticamente l’efficacia di queste onde nel mescolare il materiale, con un incremento che supera le cento volte rispetto a una stella che non ruota. Più veloce è la rotazione, più intenso è il rimescolamento.

Dato che anche il nostro Sole diventerà una gigante rossa tra qualche miliardo di anni, questi risultati offrono uno sguardo concreto sul suo futuro.

Potenza di calcolo senza precedenti

Per arrivare a questo risultato, il team ha dovuto affidarsi a simulazioni idrodinamiche tridimensionali di una complessità enorme. Falk Herwig, direttore dell’Astronomy Research Centre di Victoria e investigatore principale, ha sottolineato come fino a poco tempo fa la potenza di calcolo disponibile non permettesse di testare quantitativamente questa ipotesi. Le risorse computazionali utilizzate includono il Texas Advanced Computing Centre e il cluster Trillium dell’Università di Toronto, lanciato nell’agosto 2025 e tra i sistemi più potenti disponibili in Canada per simulazioni accademiche su larga scala.

Herwig ha definito queste le simulazioni di convezione stellare e onde gravitazionali interne più intensive mai realizzate dal punto di vista computazionale. Senza la potenza di Trillium, questa scoperta semplicemente non sarebbe stata possibile.

La cosa interessante è che gli stessi approcci computazionali hanno applicazioni ben oltre l’astrofisica. Le tecniche sviluppate possono aiutare a comprendere meglio il moto dei fluidi nelle correnti oceaniche, nei modelli atmosferici e persino nel flusso sanguigno. Blouin ha già in programma di esplorare come la rotazione stellare influenzi altri tipi di stelle e altre fasi dell’evoluzione stellare, aprendo nuovi capitoli in una storia che, dopo cinquant’anni, sembrava destinata a restare senza finale.

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