Le simulazioni numeriche forniscono sostegno alla comprensione dell'evoluzione dinamica degli ammassi globulari, in particolare alla teoria del potenziale efficace, sviluppata in un modello a singola massa, che tiene conto dell'effetto delle forze mareali indotte dalla Galassia sugli ammassi stessi. I codici attuali permettono di comprendere l'impatto di alcuni fenomeni aggiuntivi sull'evoluzione degli ammassi globulari. Tuttavia con lo sviluppo teorico di modelli di ammassi globulari molto più realistici, popolati con stelle di diversa massa secondo uno spettro continuo dato dalla funzione iniziale di massa di Kroupa, esiste la concreta possibilità di confrontare i risultati con le recenti osservazioni sulla distribuzione di velocità stellari, che ora comprende anche la componente trasversa (HST, Gaia). Inoltre, con l'aiuto delle simulazioni N-corpi, si potranno verificare sia il grado di equipartizione di energia tra le stelle dell'ammasso che, allo stato attuale, è dibattuto a livello internazionale e non conosce ancora una risposta definitiva, sia gli effetti della segregazione di massa nelle zone centrali che dovrebbero essere popolate dalle stelle più massive.
Oltre allo spettro di massa e alla presenza del campo mareale galattico, lo studio degli effetti dell'evoluzione stellare sull'evoluzione dinamica costituisce la vera novità di questa ricerca. Vi sono inoltre molti lavori che aggiungono altri ingredienti, come presenza e formazione di sistemi binari o ternari, le multi-popolazioni stellari e la formazione di buchi neri.
Lo studio di modelli teorici multimassa insieme alle simulazioni numeriche potranno permettere di produrre importanti risultati utili alla comprensione dell'accoppiamento tra evoluzione stellare e dinamica negli ammassi globulari, per poter ampliare la conoscenza attuale circa i valori critici dell'innesco dell'instabilità gravotermica e contribuire alla comprensione dei fenomeni legati all'evoluzione galattica nel suo complesso.
Si è deciso di dare impulso all'implementazione teorica sviluppando un modello mai fino ad ora considerato, utilizzando anche tutti gli aspetti connessi alla presenza del potenziale efficace che ci consentono di dare anche risposte sull'evoluzione dinamica degli ammassi globulari in aggiunta alle caratteristiche dei modelli di equilibrio. L'innovatività di questa ricerca va al di là dei risultati attesi poiché coinvolge la metodologia che tende a recuperare l'importanza del modello predittivo da confrontare con le osservazioni, al posto della simulazione numerica che viene ricondotta al giusto ruolo di utile supporto alla comprensione del fenomeno secondo la teoria sviluppata, e non come rincorsa all'ottenimento di un risultato in accordo con le osservazioni.
L'innovatività dei risultati attesi rispetto alle conoscenze attuali è stata già evidenziata nella descrizione del progetto. Tuttavia è importante sottolineare che la generalizzazione al caso di una distribuzione continua di massa, essendo molto più realistica, conferirà ai risultati ottenuti un'ulteriore validazione e fornirà un utile supporto alla comprensione dei dati osservativi. Lo studio dei feedback tra evoluzione stellare e dinamica di un sistema collisionale è completamente nuovo ed insieme ai fenomeni precedentemente introdotti può fornire un ausilio concreto e importante alla comprensione dell'evoluzione degli ammassi globulari, ovvero sistemi soggetti alla propria gravità che orbitano attorno alla galassia e ne sperimentano le forze mareali, perdendo stelle. Gli ammassi globulari, come altre strutture attorno alle galassie, si inseriscono nella descrizione della formazione ed evoluzione galattica, sia dinamica che chimica, altro argomento di notevole interesse internazionale.
Tra gli strumenti a disposizione vi è AMUSE, un insieme di codici per simulazioni scientifiche in ambito astrofisico, alcuni dei quali possono rivelarsi utili nelle simulazioni di ammassi globulari. Al momento AMUSE dispone solo di codici per creare un modello di King monomassa, anche se è possibile generare una distribuzione di massa e assegnarla all'ammasso creato successivamente, per studiare fenomeni come la segregazione di massa o l'equipartizione dell'energia cinetica tra le stelle degli ammassi globulari.
I codici per la dinamica stellare consentono di prendere un modello di ammasso globulare, o qualunque set di stelle, e di farlo evolvere nel tempo in una serie di passi temporali. Inoltre sono a disposizione delle condizioni di arresto per fermare l'evoluzione, come la fuga di una stella, una collisione tra stelle e il formarsi di sistemi binari a seguito di collisioni. Benché interessanti per il fatto che sono codici predisposti ad individuare tali eventi, non possono adoperati ai nostri scopi in quanto, per loro stessa definizione, mettono fine all'evoluzione impedendo ulteriori avanzamenti temporali. Per tenere conto di questi fenomeni durante l'evoluzione dinamica, in particolare la nascita di binarie o l'evaporazione stellare, verranno riscritti codici analoghi.
Per quanto riguarda l'evoluzione stellare, i codici consentono di evolvere una o più stelle nelle varie fasi di vita, identificate in AMUSE da appositi "tipi stellari" con tanto di unità di misura; va detto che non si tratta di un codice che risolve per ogni singola stella le equazioni di evoluzione stellare, quanto di un confronto con tavole predefinite, ciò comporta che un salto temporale troppo lungo porta la stellare direttamente ad una fase, saltando completamente quelle intermedie. Non esiste ancora un codice, nemmeno in AMUSE, che consenta di accoppiare evoluzione dinamica ed evoluzione stellare che rimangono separate e il tutto si limita ad una semplice successione di tipi di evoluzione. In questo risiede anche l'innovatività del progetto: la costruzione di un codice per stabilire una comunicazione tra evoluzione stellare ed evoluzione dinamica.
Per quanto riguarda le simulazioni, da un punto di vista tecnico verrà utilizzata la workstation in nostro possesso altamente performante, composta da una architettura ibrida che ospita sia le classiche unità di elaborazione (CPU) sia 4 schede GPU di tipo Nvidia Titan Black ciascuna dotata di 2880 cores e di 6GB di RAM dedicata. Questo permetterà di simulare ammassi stellari composti da un elevato numero di stelle con tempi di calcolo notevolmente ridotti grazie all'utilizzo di codici numerici paralleli sviluppati in ambiente CUDA in grado di girare simultaneamente sulle 4 schede grafiche. L'ambiente di sviluppo CUDA si interfaccia con i drivers nativi delle schede permettendo di gestire il parallelismo dei processi e garantire la portabilità del codice. La ricerca proposta porterà ad un avanzamento sostanziale delle conoscenze del nostro gruppo nel campo della High Performance Computing (HPC), a partire dagli approcci di tipo più classico (MPI, OpenMP ecc) per arrivare alle moderne tecnologie per il calcolo parallelo.