Un team di ricercatori dell’Università di San Francisco, in California, ha sfruttato i dati del Legacy Imaging Survey DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) per rivelare 1210 nuove lenti gravitazionali, raddoppiando il numero di quelle conosciute. Il fenomeno della lente gravitazionale si incontra quando un’elevata distribuzione di materia, ad esempio una galassia, deforma lo spaziotempo e devia la luce di corpi celesti vicini, la cui immagine ci appare distorta e allungata.
Queste lenti non sono semplici da individuare e sono perciò richieste tecniche specifiche. “Una galassia enorme deforma lo spaziotempo attorno a se stessa, ma di solito non si nota questo effetto. Solo quando è nascosta direttamente dietro una galassia gigante è possibile vedere una lente”, spiega Xiaosheng Huang dell’Università di San Francisco, l’autore principale dello studio, aggiungendo che all’inizio del progetto nel 2018 si conoscevano solo 300 lenti gravitazionali. Il loro contributo è quindi di grande importanza.
Per analizzare l’enorme quantità di dati del nono set rilasciato da DESI, Huang e i suoi collabotatori hanno utilizzato il supercomputer del National Energy Research Scientific Computer Center (NERSC) del Berkeley Lab. Questo ha permesso loro di sfruttare un apprendimento automatico detto rete neurale, un algoritmo di calcolo paragonabile a un cervello umano, per individuare le nuove lenti gravitazionali.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal e saranno molto utili ai ricercatori per le osservazioni future. Inoltre, con il gran numero di lenti candidate a disposizione gli astronomi potranno effettuare nuove misurazioni di parametri cosmologici come la costante di Hubble. Questo sarà di grande aiuto nella ricerca di risposte alle grandi domande sul nostro Universo.
Gli occhi sull’Universo previsti da Einstein
Le lenti gravitazionali sono previste dalla relatività generale di Einstein. Secondo questa teoria, la presenza di una massa deforma lo spaziotempo rendendolo curvo, e questa curvatura devia la traiettoriadella radiazione elettromagnetica, come la luce. Quindi se nelle vicinanze di una sostanziosa distribuzione di materia, come una galassia o un buco nero, si trovano altri corpi celesti, la luce da loro emessa viene deviata, esattamente come fa una lente ottica.
Da qui l’appellativo di lente gravitazionale: l’effetto che noi osserviamo è la deformazione apparente dell’immagine dei corpi vicini, la cui luce passa nei pressi della massa che deforma lo spaziotempo. Le distorsioni possono essere di varia natura a seconda della deviazione dei raggi. A partire dalla prima evidenza sperimentale del 1919 raccolta durante un’eclissi totale di Sole, il numero di lenti gravitazionali conosciute è aumentato gradualmente nel corso degli anni, a mano a mano che gli sviluppi tecnologici della strumentazione astronomica permettevano osservazioni sempre più dettagliate.
“Abbiamo preparato il progetto in modo che potesse essere utilizzato da qualsiasi scienziato” afferma il coautore dello studio Arjun Dey, del NOIRLab. “La nostra indagine ha già prodotto più di mille nuove lenti gravitazionali, e ce ne sono indubbiamente molte altre in attesa di essere scoperte”.
L’importanza delle lenti gravitazionali
Le applicazioni del fenomeno di lente gravitazionale teorizzato da Einstein sono molteplici. Innanzitutto, può essere sfruttato per scandagliare le zone più remote del nostro Universo: è possibile individuare corpi celesti meno visibili, come quasar molto lontani o piccole stelle occultate dalla presenza di gas nel cosmo. Inoltre, permette di misurare le distanze degli oggetti astronomici con accuratezza maggiore.
Uno degli utilizzi più importanti delle lenti è quello di riuscire a misurare la quantità di materia oscura in una galassia: se si conosce la posizione reale della sorgente rispetto a quella deformata a causa della presenza della lente, si possono determinare caratteristiche fondamentali sulla lente gravitazionale stessa e sui suoi effetti di deformazione dello spaziotempo. Per citare un esempio, nel luglio 2018 è stato scoperto uno dei nodi più densi dell’universo, che comprende un grande ammasso di galassie a 6 miliardi di anni luce da noi e contiene importanti informazioni proprio sulla materia oscura.
Il contributo dell’apprendimento automatico
Un ruolo fondamentale nella scoperta di più di 1200 nuove lenti gravitazionali l’ha avuto il sistema di apprendimento automatico studiato da Huang all’Università di San Francisco.
“Abbiamo realizzato che questa era un’opportunità perfetta per applicare quelle tecniche alla ricerca di lenti gravitazionali” spiega David Schlegel del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), membro del team di scienziati coinvolti e co-leader nel progetto DESI Legacy Surveys.
Sfruttando il nono e ultimo blocco di dati di DESI disponibili per la comunità astronomica presso il NOIRLab, Schlegel, Huang e collaboratori hanno utilizzato un supercomputer per analizzarli con una rete neurale profonda. Le reti neurali sono algoritmi di calcolo usati per risolvere problemi di intelligenza artificiale, ispirati alla rete di neuroni biologica e quindi paragonabili a un cervello umano. Poiché questo tipo di apprendimento automatico si sviluppa su vari livelli, il cui lavoro collettivo è quello di sentenziare se un oggetto osservato appartiene o no a un dato gruppo, deve anche saper riconoscere l’oggetto in questione. Perciò l’enorme quantità di dati di DESI è stata decisiva per allenare il computer a distinguere le lenti gravitazionali.
Prospettive future
Grazie ai risultati della ricerca, sarà possibile approfondire lo studio della materia oscura, la cui presenza è testimoniata dalle galassie e di cui ancora sappiamo molto poco. Inoltre gli astronomi potranno eseguire nuovamente i calcoli di parametri cosmologici come la costante di Hubble, che esprime l’espansione dell’Universo: la principale difficoltà nel misurarla è la determinazione accurata della distanza delle galassie, un compito che le lenti gravitazionali possono aiutarci a portare a termine.
Ora che gli scienziati sanno dove guardare, le osservazioni future monitoreranno le galassie che deviando pesantemente la luce danno prova di essere lenti forti, tentando di migliorare le nostre conoscenze in merito a un cosmo che non smette mai di stupirci.
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