L’universo in mostra

Da oggi la Terra attraverserà una pioggia di stelle cadenti. Ma in astronomia l’occhio umano raggiunge rapidamente i suoi limiti. Strumenti sempre più potenti stanno aprendo nuove prospettive sulle origini dell’Universo.

Oggi possiamo osservare un esopianeta in orbita attorno al suo sole, una particolare galassia o l’intero Universo. "Alla fine l’Universo è molto vuoto, non nasconde molto", spiega Jean-Paul Kneib, professore del Laboratorio di Astrofisica dell’EPFL. L’importante è sapere cosa stiamo cercando, costruire lo strumento giusto e guardare nella direzione giusta. E poi fare un po’ di lavori domestici: "Il primo piano della nostra galassia blocca la nostra vista al di là di essa. Per creare una mappa dell’idrogeno all’inizio dell’Universo, ad esempio, modelliamo l’intero primo piano e lo sottraiamo dalle nostre immagini, fino ad arrivare a un segnale che è un milione di volte più piccolo di quello della Via Lattea.

Mentre Galileo era in grado di disegnare solo ciò che vedeva con il suo telescopio, oggi è possibile vedere l’Universo nella sua interezza, fino ai suoi primi istanti. Ciò è dovuto innanzitutto ai giganteschi progressi compiuti e ancora da compiere in termini di strumenti. Lanciato due anni e mezzo fa, il James Webb Space Telecope (JWST), con le sue osservazioni all’infrarosso, mira a tornare indietro di 13 miliardi di anni, al momento della formazione delle prime galassie e delle prime stelle. In costruzione e previsto per la fine del decennio, il radiotelescopio SKA (Square Kilometre Array) guarderà ancora più indietro. Dove non ci sono ancora stelle, ma soprattutto idrogeno, che rappresenta il 92% degli atomi dell’universo. "Un modo molto semplice per rilevare questo gas è posizionarsi nella gamma di frequenze radio in cui si trova il progetto SKA. Cercheremo di rilevare un segnale un milione di volte più piccolo dei segnali in primo piano". Il progetto europeo di interferometro spaziale (LISA), previsto per il 2035, osserverà le onde gravitazionali per far luce sulla crescita dei buchi neri nell’Universo e su eventuali onde create subito dopo il Big Bang.

Sfida digitale

Tuttavia, gli strumenti rimarrebbero ciechi senza progressi in altri campi. "Al momento non abbiamo il software per elaborare i dati dello SKA", ammette il professore, fiducioso che ci arriveremo. L’informatica, ma anche la potenza di calcolo, la scienza computazionale e l’intelligenza artificiale sono aiuti indispensabili. L’intelligenza artificiale è inestimabile, ad esempio, per smistare grandi quantità di dati e trovare qualcosa di insolito, o per calcolare la massa delle galassie! L’effetto di lente gravitazionale, che devia la luce in presenza di un’altissima concentrazione di massa, ci permette di misurare la massa degli ammassi di galassie quasi al centesimo, come una bilancia", spiega l’astrofisico. In questo modo, possiamo insegnare all’intelligenza artificiale a individuare le distorsioni dell’immagine indotte dalle lenti gravitazionali". Dato che nell’Universo ci sono probabilmente 200 miliardi di galassie, questo è già un aiuto prezioso, anche se riusciamo a misurare solo la massa di una galassia su mille.

Infine, vediamo davvero ciò che ci viene mostrato? Vedremmo una ciambella luminosa, come quella presentata come foto di un buco nero pubblicata nel 2019, se potessimo avvicinarci? Non è una foto ottica, è puramente digitale", ammette Jean-Paul Kneib. Per osservare con precisione su questa scala, a lunghezze d’onda millimetriche, diversi telescopi sulla Terra sono stati fatti funzionare di concerto per ottenere un telescopio grande all’incirca come un globo terrestre. Utilizzando l’interferometria (una misura basata sull’interferenza, ndr), abbiamo ricostruito l’immagine. Ma si tratta pur sempre della misura di un segnale reale, legato alla quantità di materia presente nella nube di polvere intorno al buco nero. In termini semplificati, la parte scura è il buco nero e la parte chiara è la quantità di materia che gli orbita intorno.

La terza dimensione viene utilizzata per misurare la distanza tra gli oggetti celesti.

J ean-Paul Kneib, professore presso il Laboratorio di Astrofisica dell’EPFL

Colori rinforzati ma significato in termini di fisica

"In astronomia non si possono fare solo calcoli. Bisogna essere in grado di visualizzare le cose, e questo serve anche a verificare che siano corrette", continua l’astrofisico. Legge una sontuosa immagine della nebulosa della Laguna, a 4.000 anni luce di distanza, come se fosse uscita da un libro. "Abbiamo combinato diverse osservazioni ottiche a diverse lunghezze d’onda per far risaltare i diversi gas. C’è un po’ di lavoro artistico per esaltare i colori. Ma l’immagine ha anche un grande significato in termini di fisica. I colori rivelano la presenza di gas: il rosso è dovuto alla presenza di idrogeno, il blu all’ossigeno e il verde all’azoto. Le regioni nere, molto compatte, contengono un accumulo di polvere e sono generalmente luoghi in cui si formano le stelle.

La visualizzazione è ancora più importante perché va oltre il 2D. "La terza dimensione ci permette di misurare la distanza tra gli oggetti celesti. All’inizio di aprile, gli scienziati che lavorano al progetto DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), a cui l’EPFL contribuisce, hanno annunciato di aver creato la più grande mappa 3D mai realizzata delle galassie e dei quasar dell’Universo.

La quarta dimensione

Ma non è tutto: stiamo lavorando anche con la quarta dimensione - il tempo - e questo sta già aprendo prospettive senza precedenti per vedere fenomeni transitori, luminosi ma molto fugaci. "Per esempio, non conosciamo l’origine dei fast radio burst , fenomeni molto luminosi che durano al massimo pochi secondi, o addirittura una frazione di millisecondo", dice Jean-Paul Kneib.

Vedremo mai la vita su un esopianeta? "Utilizzando l’interferometria a infrarossi, potremmo fotografare un pianeta in orbita attorno a un altro sole. Sarebbe senza dubbio sfocata, ma potremmo vedere se ci sono nuvole o differenze strutturali sulla sua superficie e caratterizzarle. Tra 20 o 30 anni potremmo essere in grado di farlo", dice il professore.

Per quanto riguarda il chiarimento di alcune questioni fondamentali, probabilmente non basterà l’imaging: perché l’espansione dell’Universo sta accelerando? È a causa dell’energia oscura? Perché l’80% della materia è invisibile? Abbiamo sbagliato completamente il fenomeno della gravitazione? Le future generazioni di astrofisici continueranno a guardare il cielo o a rimanere incollati ai loro schermi per risolvere questi enigmi, essenziali per la comprensione del nostro Universo.