Tra tutte le domande che l’umanità si è posta sull’universo, forse la più profonda è “da dove viene tutto ciò?”.

Per intere generazioni ci siamo raccontati storie inventate, e tra tutte queste storie abbiamo sempre scelto quella che ci sembrava più opportuna. Solo di recente abbiamo capito che le risposte alle nostre domande possono essere acquisite esaminando l’universo; ovvero da quando le misurazioni scientifiche hanno iniziato a risolvere tutti i dubbi che avevano ostacolato filosofi e teologi.

Il 20° secolo ha portato con sé la Relatività Generale, la fisica quantistica e il Big Bang, tutte teorie supportate da osservazioni spettacolari e successi sperimentali. Questi fenomeni ci hanno permesso di strutturare delle previsioni teoriche, che, dopo essere state opportunamente testate, hanno superato pienamente il vincolo sperimentale.

Le origini dell’universo

Con l’eccezione del Big Bang, però, lo scenario di queste previsioni lascia ancora irrisolti alcuni problemi, per i quali è necessario un più approfondito studio. Ogni qualvolta si è cercato di approfondire la nostra conoscenza, ci si è sempre trovati di fronte a una conclusione sconfortante: ogni informazione sulle origini dell’universo non è più contenuta all’interno del cosmo che oggi possiamo osservare. Cerchiamo di tracciare una cronistoria di questo percorso di ricerca.

Negli anni Venti del secolo scorso, a seguito del perfetto incrocio tra due insiemi di osservazioni, è cambiata per sempre la nostra concezione dell’universo. Negli anni precedenti, un gruppo di scienziati guidati da Vesto Slipher aveva iniziato a misurare le linee spettrali – ovvero le proprietà di emissione e di assorbimento della materia – di una varietà di stelle e di nebulose.

Poiché gli atomi, dovunque essi si trovino nell’universo, sono sempre gli stessi, gli elettroni che sono al loro interno effettuano le medesime transizioni: essi hanno gli stessi spettri di assorbimento e di emissione. Ma un paio di queste nebulose, quelle a forma ellittica e spiraleggianti, presentano un forte spostamento verso il rosso (redshift), che corrisponde ad elevate velocità di recessione: più veloci di qualunque altro elemento nella nostra galassia.

L’universo in espansione

A partire dal 1923, Edwin Hubble e Milton Humason, iniziarono a misurare singole stelle all’interno di queste nebulose, riuscendo a determinarne la distanza dalla Terra. Queste stelle si trovavano abbondantemente oltre la nostra Via Lattea: la maggior parte di esse si trova a milioni di anni luce.

Mettendo insieme misurazioni di distanze e di redshift, si perviene a una sola conclusione, supportata anche teoricamente dalla teoria della Relatività di Einstein: l’universo si sta espandendo. Più una galassia è lontana, più velocemente essa appare allontanarsi da noi.

Se oggi l’universo fosse in espansione, allora si dovrebbero verificare le situazioni sotto riportate.

1. L’universo è sempre meno denso, poiché la quantità di materia in esso contenuta (sempre uguale) occupa un volume crescente.

2. L’universo è sempre più freddo, in quanto la luce al suo interno viene portata a lunghezze d’onda sempre più ampie.

3. Le galassie che non interagiscono gravitazionalmente si allontanano sempre di più.

Quelle sopra descritte sono delle situazioni che ci permettono di sviluppare delle previsioni su cosa accadrà all’universo, man mano che trascorre il tempo. Ma le leggi della fisica che ci dicono cosa accadrà nel futuro, sono le stesse che possono dirci cosa è accaduto nel passato, e lo stesso universo non fa eccezione. Se l’universo oggi si sta espandendo, si sta raffreddando e sta diventando meno denso, ciò significa che, in un passato remoto, esso è stato più piccolo, più caldo e più denso.

La grande idea del Big Bang era quella di portare l’universo più indietro possibile: retrocedendo nel tempo, a stati sempre più caldi, più densi e più uniformi. Questo percorso ha condotto a una serie di previsioni rilevanti, tra cui:

• le galassie più distanti dovrebbero essere più piccole, più numerose, con massa inferiore e più ricche di stelle calde e blu, rispetto alle loro omologhe di oggi;

• guardando indietro nel tempo dovrebbero esserci sempre meno elementi pesanti;

• dovrebbe essere esistito un tempo in cui l’universo era così caldo da creare atomi neutri (e un miscuglio residuo di radiazione attuale fredda, che esiste da quei primordi);

• dovrebbe essere esistito un tempo in cui i nuclei atomici sono stati disintegrati dalla radiazione a elevata energia (lasciando una miscela residua di isotopi di idrogeno e di elio).

Le previsioni sopra descritte sono state tutte e quattro confermate sperimentalmente, con quel residuo bagno di radiazione – originariamente noto con il termine di palla di fuoco primordiale e che oggi chiamiamo radiazione cosmica di fondo – scoperto nella metà degli anni Sessanta e a cui spesso ci si riferisce come alla pistola fumante del Big Bang.

Ciò porterebbe a pensare che si possa estrapolare il Big Bang fino in fondo, ovvero fino a quando tutta la materia e l’energia dell’universo siano concentrate in un unico punto. In questa situazione l’universo raggiungerebbe temperature e densità infinitamente elevate, creando una condizione fisica nota come singolarità: dove le leggi della fisica, così come oggi le conosciamo, forniscono delle previsioni che non hanno alcun senso e non possono essere validate.

Ed eccoci quindi, dopo anni di ricerche, a determinare le origini dell’universo. L’universo è iniziato, in un determinato tempo, con un Big Bang, corrispondente alla nascita dello spazio e del tempo; tutto ciò che è stato osservato, si può considerare come il prodotto di quell’evento.

Per la prima volta, si ha una risposta scientifica che, non solo dice che l’universo ha avuto un’origine, ma anche quando si è avuta questa origine. Riprendendo le parole di Georges Lamaitre, la prima persona a costruire la fisica dell’universo in espansione, il Big Bang è stato un giorno senza ieri.

Solo che il Big Bang ha messo in evidenza una serie di quesiti irrisolti, per i quali però non propone alcuna risposta.

Perché le regioni che sono casualmente scollegate – per esempio, non riescono a scambiarsi delle informazioni, nemmeno alla velocità della luce – hanno la stessa temperatura?

Perché, alle origini, la velocità iniziale di espansione dell’universo e la quantità totale di energia dell’universo (che gravita e quindi si oppone all’espansione), erano perfettamente bilanciate?

E perché, se alle origini sono state raggiunte temperature e densità così elevate, non vi sono residui di quei periodi, rimasti nell’universo attuale?

L’inflazione cosmica

Intorno agli anni Settanta, i fisici e gli astrofisici nutrivano delle forti perplessità relativamente a questi problemi, proponendo diverse teorie per giungere a delle risposte plausibili. Nel 1979, un giovane teorico di nome Alan Guth, propose una teoria che cambiò la storia.

Questa nuova teoria fu chiamata inflazione cosmica, e ipotizzava che forse l’idea del Big Bang poteva rappresentare una buona estrapolazione fino a un certo punto nel tempo, prima del quale sarebbe potuto esistere uno stato inflazionario. Invece di considerare arbitrariamente alte temperature, densità ed energie, l’inflazione afferma che:

• l’universo non era pieno di materia e radiazione;

• l’universo possedeva una grande quantità di energia contenuta nello stesso tessuto dello spazio;

• questa energia ha causato l’espansione esponenziale dell’universo (con una velocità di espansione che non cambia con il tempo);

• questa espansione conduce l’universo verso uno stato piatto, vuoto e uniforme, finché l’inflazione non si esaurisce.

Quando l’inflazione si è esaurita, l’energia connessa con lo spazio – energia che ha ovunque lo stesso valore, eccetto per le fluttuazioni quantistiche impresse su di esso – è stata convertita in materia ed energia, dando origine a un Big Bang a elevata temperatura.

Da un punto di vista teorico, questa ipotesi offreuna spiegazione fisica plausibile per quelle proprietà osservate, che il Big Bang da solo non era in grado di spiegare.

Le regioni casualmente disconnesse hanno la stessa temperatura perché discendono tutte dalla stessa zona inflazionaria di spazio. La velocità di espansione e la densità di energia sono perfettamente bilanciate perché, prima del Big Bang, l’inflazione ha dato all’universo quei valori di velocità di espansione e di densità di energia. E, infine, non vi sono residui ad alta energia di quei primordi, perché l’universo ha raggiunto una temperatura finita solo dopo che l’inflazione si è esaurita.

Inoltre, l’inflazione ha prodotto anche una serie di nuove previsioni che differivano da quelle del Big Bang non inflazionario, che potrebbero essere testate.

A oggi, sono stati raccolti dati che mettono alla prova quattro di queste previsioni:

1. L’universo ha avuto un limite superiore massimo, non infinito, di temperatura, raggiunto durante il Big Bang;

2. L’inflazione dovrebbe possedere delle fluttuazioni quantistiche che si trasformano in imperfezioni di densità nell’universo;

3. Alcune fluttuazioni dovrebbero esistere su scale oltre l’orizzonte: è possibile che, dal Big Bang, siano pervenute delle fluttuazioni su scale più ampie di quelle della luce;

4. Quelle fluttuazioni dovrebbero essere invarianti per dimensioni, con ampiezze leggermente più grandi su scale grandi rispetto a scale più piccole.

Con i dati acquisiti dai satelliti COBE, WMAP e Planck, sono state testate le quattro previsioni, e solamente la teoria inflazionaria supporta le previsioni, che sono in linea con quanto sperimentalmente osservato. Questo quindi significa che il Big Bang non è stato effettivamente l’inizio di tutto: esso è stato solo l’inizio dell’universo, così come siamo abituati a conoscerlo. Prima del Big Bang, vi era uno stato noto come inflazione cosmica, che, dopo la sua fine, ha dato origine al Big Bang, e oggi è possibile osservare i residui di questa inflazione cosmica.

Ma solo per una piccolissima frazione di un secondo dell’inflazione. Possiamo osservare i segnali che l’inflazione ha lasciato nell’universo solo per i suoi ultimi 10^-33 secondi. È possibile che l’inflazione sia durata quel preciso arco di tempo o poco più. È possibile che lo stato di inflazione sia eterno, o che sia transitorio, come originato da qualcos’altro. È possibile che l’universo sia nato da una singolarità, o derivi come parte di un ciclo, o che sia sempre esistito. Qualunque sia stata la situazione, oggi non disponiamo di alcuna informazione su quei momenti. L’inflazione – per sua stessa natura – cancella tutto ciò che è esistito nell’universo pre inflazionario.

L’inflazione è come spingere il tasto reset del cosmo. Tutto ciò che esisteva prima dello stato inflazionario viene espanso così rapidamente e completamente, che tutto ciò che rimane è uno spazio vuoto e uniforme, con le sole fluttuazioni quantistiche create dalla stessa inflazione. Quando l’inflazione si è esaurita, solo una piccola porzione di quello spazio è diventato l’universo che oggi osserviamo. Qualunque altra cosa, compresa ogni informazione che ci permetterebbe di ricostruire cosa sia successo nei primordi del nostro universo, oggi giace, e per sempre, al di fuori della nostra possibilità di conoscenza.

È in assoluto uno dei risultati più importanti della scienza: riuscire ad andare indietro miliardi di anni e capire quando, e come, l’universo, così come lo conosciamo oggi, sia arrivato fino a noi. Ma come tante avventure, fornire risposte ha destato nuove domande. Purtroppo, i dubbi che oggi attanagliano gli scienziati, difficilmente potranno essere risolti.

Se quell’informazione non è più presente nel nostro universo, sarà necessaria una vera e propria rivoluzione scientifica per risolvere il più grande dei quesiti: da dove viene tutto ciò?

Un nuovo studio, che utilizza l’apprendimento automatico, ha rivelato che la crescita dei buchi neri supermassicci nelle galassie richiede gas freddo oltre alle fusioni, sfidando le ipotesi precedenti e migliorando la nostra comprensione dell’evoluzione delle galassie.

I buchi neri supermassicci: giganti dormienti che si risvegliano

Quando sono attivi, i buchi neri supermassicci svolgono un ruolo cruciale nel modo in cui si evolvono le galassie. Fino ad ora, si è pensato che la crescita fosse innescata dalla violenta collisione di due galassie seguita dalla loro fusione, tuttavia, una nuova ricerca condotta dall’Università di Bath ha suggerito che le fusioni tra galassie da sole non sono sufficienti ad alimentare un buco nero. Per spiegare la crescita di essi, è necessario un secondo ingrediente: un serbatoio di gas freddo a livello planetario situato al centro della galassia ospite.

Il nuovo studio, pubblicato sulla rivista Monthly Notice della Royal Astronomical Society, è stato il primo a utilizzare l’apprendimento automatico per classificare le fusioni galattiche con l’obiettivo specifico di esplorare la relazione tra le stesse, l’accrescimento di buchi neri supermassicci e la formazione stellare. Finora le fusioni sono state classificate (spesso erroneamente) esclusivamente attraverso l’osservazione umana.

Mathilda Avirett-Mackenzie, dottoranda presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Los Angeles Università di Bath e prima autrice del documento di ricerca, ha dichiarato: “Quando gli esseri umani cercano fusioni tra galassie, non sempre sanno cosa stanno guardando e usano molta intuizione per decidere se è avvenuta davvero. Addestrando una macchina a classificarle, si ottiene una lettura molto più veritiera di ciò che stanno effettivamente facendo le galassie”.

La ricerca è frutto di una collaborazione tra i partner di BiD4BEST (Big Data Applications for Black Hole Evolution Studies), la cui rete innovativa fornisce formazione di dottorato sulla formazione dei buchi neri supermassicci.

I buchi neri supermassicci sono una componente fondamentale delle galassie
(per dare un senso di scala, la Via Lattea, con circa 200 miliardi di stelle, è solo una galassia di medie dimensioni), al centro di essa si trova un buco nero chiamato Sagittarius A*, che ha una massa di circa 4 milioni di volte quella del Sole.

Per gran parte della loro esistenza, i buchi neri supermassicci sono quiescenti, rimangono in uno stato di calma, con la materia che orbita intorno, e hanno un impatto minimo sulla galassia nel suo complesso. Tuttavia, per brevi periodi della loro esistenza (brevi solo in termini astronomici, con una durata di milioni o centinaia di milioni di anni), essi sfruttano la loro forza gravitazionale per attirare grandi quantità di gas verso di sé. Questo fenomeno, noto come accrescimento, genera un disco luminoso talmente intenso da poter eclissare l’intera galassia.

Sono queste brevi fasi di attività ad essere più importanti per l’evoluzione delle galassie, poiché le enormi quantità di energia rilasciata attraverso l’accrescimento possono influenzare il modo in cui le stelle si formano nelle stesse. Per una buona ragione, quindi, stabilire cosa provoca il movimento di una galassia tra i suoi due stati – quiescente e formazione stellare – è una delle più grandi sfide dell’astrofisica.

Buchi neri, ispezione umana vs Machine Learning

Per decenni, i modelli teorici hanno suggerito che i buchi neri crescono quando le galassie si fondono. Tuttavia, gli astrofisici che studiano da molti anni la connessione tra fusioni di galassie e crescita dei buchi neri hanno sfidato questi modelli con una semplice domanda: come possiamo identificare in modo affidabile le fusioni di galassie?

L’ispezione visiva è stato il metodo più comunemente utilizzato. I classificatori umani – esperti o membri del pubblico – hanno osservato le galassie e hanno identificato elevate asimmetrie o lunghe code di marea (regioni sottili e allungate di stelle e gas interstellare che si estendono nello spazio), entrambe associate alle fusioni delle stesse. Tuttavia, questo metodo di osservazione è dispendioso in termini di tempo e inaffidabile, poiché è facile per gli esseri umani commettere errori nelle loro classificazioni. Di conseguenza, gli studi sulle fusioni spesso forniscono risultati contraddittori.

Nel nuovo studio condotto da Bath, i ricercatori si sono posti la sfida di migliorare il modo in cui vengono classificate le fusioni studiando la connessione tra la crescita dei buchi neri e l’evoluzione delle galassie attraverso l’uso dell’intelligenza artificiale.

L’IA illumina i segreti dei buchi neri

Gli scienziati hanno addestrato una rete neurale su fusioni di galassie simulate, quindi hanno applicato questo modello a quelle finora osservate nel cosmo.

In questo modo, sono stati in grado di identificare le fusioni senza pregiudizi umani e studiare la connessione tra fusioni di galassie e crescita dei buchi neri. Hanno anche dimostrato che la rete neurale supera i classificatori umani nell’identificarle.

Applicando questa nuova metodologia, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che le fusioni non sono fortemente associate alla crescita dei buchi neri. Le firme delle stesse sono ugualmente comuni nelle galassie con e senza buchi neri supermassicci in accrescimento.

Utilizzando un campione estremamente ampio di circa 8.000 sistemi di buchi neri in accrescimento – che ha permesso al team di studiare la questione in modo molto più dettagliato – si è scoperto che le fusioni portano alla crescita dei buchi neri solo in un tipo molto specifico di galassie, ovvero quelle contenenti quantità significative di gas freddo.

Questo ha dimostrato che le fusioni tra galassie da sole non sono sufficienti ad alimentare i buchi neri: devono essere presenti anche grandi quantità di gas freddo per consentire al buco nero di crescere.

Avirett-Mackenzie ha affermato: “Affinché le galassie possano formare stelle, devono contenere nubi di gas freddo in grado di collassare in stelle. Processi altamente energetici come l’accrescimento di un buco nero supermassiccio riscaldano questo gas, rendendolo troppo energetico per collassare o espellendolo fuori dalla galassia”.

La dottoressa Carolin Villforth, docente senior presso il Dipartimento di Fisica e supervisore della signora Avirett-Mackenzie a Bath, ha concluso: “Fino ad ora le fusioni sono state studiate allo stesso modo, attraverso la classificazione visiva. Con questo metodo, utilizzando classificatori esperti in grado di individuare caratteristiche più sottili, siamo riusciti a osservare solo un paio di centinaia di galassie, non di più. L’utilizzo dell’apprendimento automatico ha aperto un campo completamente nuovo e molto entusiasmante in cui è possibile analizzare migliaia di galassie alla volta”.

Il 17 aprile 2021 è stato un giorno come qualsiasi altro sul Sole, finché non è scoppiato un lampo brillante e un’enorme nuvola di materiale solare si è allontanata dalla nostra stella.

Tali esplosioni dal Sole non sono insolite, ma questa tempesta solare è stata insolitamente diffusa, scagliando protoni ed elettroni ad alta velocità prossima a quella della luce e colpendo diversi veicoli spaziali attraverso il sistema solare interno.

Tempesta solare: protoni ed elettroni scagliati ad alta velocità

Tre anni fa, il 17 aprile 2021, si è verificata un’esplosione solare eccezionalmente ampia, un evento drammatico che ha proiettato nello spazio particelle provenienti da circa due terzi della superficie del Sole, un angolo molto più ampio rispetto a quello solitamente coinvolto nelle esplosioni solari comuni.

L’evento descritto è certamente affascinante e di grande importanza per la comprensione del comportamento del Sole e del suo impatto sul sistema solare.

Le esplosioni solari possono avere conseguenze significative sulla Terra e su altri corpi celesti, influenzando le comunicazioni radio, le reti elettriche e persino la salute degli astronauti in missione. Studiare eventi come questo ci aiuta a migliorare la nostra capacità di prevedere e mitigare i potenziali danni causati dalle tempeste solari. Inoltre, questo fenomeno offre anche una preziosa opportunità per ampliare la nostra conoscenza del Sole e dei fenomeni astronomici correlati.

Space Telescope Live della NASA, un’applicazione web originariamente sviluppata nel 2016 per fornire aggiornamenti in tempo reale sugli obiettivi di Hubble, ora offre un facile accesso a informazioni aggiornate sulle osservazioni attuali, passate e future sia di Hubble che di Webb.

Space Telescope Live: sempre aggiornati sulle osservazioni di Hubble e Webb

Non è difficile scoprire cosa hanno osservato in passato i telescopi spaziali Hubble e James Webb della NASA. Non passa quasi una settimana senza la notizia di una scoperta cosmica resa possibile utilizzando immagini e altri dati catturati dai telescopi astronomici della NASA.

Ma cosa stanno guardando Hubble e Webb in questo momento? Un pilastro oscuro che ospita stelle nascenti? Una coppia di galassie in collisione? L’atmosfera di un pianeta lontano? Luce galattica, allungata e distorta in un viaggio di 13 miliardi di anni attraverso lo spazio? Ora si potrà essere aggionati in ogni momento con l’ausilio dell’app Space Telescope Live.

Progettata e sviluppata per la NASA dallo Space Telescope Science Institute di Baltimora, l’app Space Telescope Live è uno strumento esplorativo che offre al pubblico un modo semplice e coinvolgente per saperne di più su come vengono condotte le indagini astronomiche.

Space Telescope Live: libero accesso non solo alle osservazioni del presente e del futuro, ma anche a quelle del passato

Con la sua interfaccia utente ridisegnata e funzionalità ampliate, gli utenti possono scoprire non solo quale pianeta, stella, nebulosa, galassia o regione dello spazio profondo sta osservando ogni telescopio in questo momento, ma anche dove si trovano esattamente e quali strumenti scientifici vengono utilizzati per acquisire immagini, spettri e altri dati.

Si potrà esattamente informati quando e per quanto tempo sono previste le osservazioni lo stato dell’osservazione, chi sta conducendo la ricerca e, soprattutto, cosa stanno cercando di scoprire gli scienziati.

Le informazioni per le osservazioni dei programmi scientifici approvati sono disponibili tramite l’Archivio Mikulski per i telescopi spaziali. Space Telescope Live della NASA offre un facile accesso a queste informazioni, non solo agli obiettivi del giorno attuale, ma anche all’intero catalogo delle osservazioni passate, con i record Webb che risalgono ai suoi primi obiettivi di messa in servizio nel gennaio 2022, e i record di Hubble fino al l’inizio delle sue operazioni nel maggio 1990.

La mappa del cielo zoomabile centrata sulla posizione del bersaglio è stata sviluppata utilizzando Aladin Sky Atlas, con immagini provenienti da telescopi terrestri per fornire il contesto per l’osservazione.

Poiché i dati di Hubble e Webb devono passare attraverso un’elaborazione preliminare e, in molti casi, un’analisi preliminare, prima di essere rilasciati al pubblico e alla comunità astronomica, le immagini in tempo reale non sono disponibili in questo strumento per nessuno dei due telescopi.

Dettagli come il nome e le coordinate del target, gli orari di inizio e fine programmati e l’argomento di ricerca vengono estratti direttamente dai database di pianificazione dell’osservazione e di pianificazione delle proposte. I collegamenti all’interno dello strumento indirizzano gli utenti alla proposta di ricerca originale, che funge da gateway per informazioni più tecniche.

Space Telescope Live funziona su dispositivi desktop e mobili

Sebbene quest’ultima versione della Space Telescope Live della NASA costituisca una trasformazione significativa rispetto alla versione precedente, il team sta già raccogliendo feedback dagli utenti e pianificando ulteriori miglioramenti per offrire opportunità di esplorazione e comprensione più approfondite.

Space Telescope Live della NASA è progettato per funzionare su dispositivi desktop e mobili ed è accessibile tramite i siti Web ufficiali Hubble e Webb della NASA. Ulteriori dettagli sul contenuto, comprese spiegazioni accessibili al pubblico delle informazioni visualizzate nello strumento, sono disponibili nella Guida per l’utente.

Space Telescope Live è uno strumento che in un certo modo rivoluziona il mondo della conoscenza e il contatto con essa. Sarebbe interessante vederla applicati a tutti i rami del sapere, in un momento storico dove la cultura è ai margini, potrebbe diventare improvvisamente protagonista.