Realtà Virtuale: una Rivoluzione nell’Analisi e Visualizzazione dei Modelli Scientifici per l’Astrofisica

INTRODUZIONE

Negli ultimi anni, le osservazioni astronomiche hanno rivelato dettagli sempre più affascinanti sugli oggetti celesti, producendo un’enorme quantità di dati di altissima qualità (si veda Figura 1). Questo progresso ha reso necessario sviluppare modelli fisici sempre più precisi per descrivere i fenomeni astronomici, svelando i segreti nascosti nella loro struttura e nei processi che li governano.

Tra i modelli fisici più usati nello studio degli oggetti astronomici troviamo quelli denominati magnetoidrodinamici (MHD), che si basano su un insieme di equazioni che descrivono il comportamento del plasma e dei gas negli oggetti astronomici anche in presenza di intensi campi magnetici. Si tratta di modelli fondamentali per comprendere la struttura, la dinamica e l’energetica di una vasta gamma di oggetti celesti, migliorando significativamente l’analisi e l’interpretazione delle osservazioni astronomiche.

Per sviluppare simili modelli è richiesto l’uso di sofisticati codici numerici, progettati appositamente per i plasmi astrofisici. A loro volto i codici necessitano di sistemi di calcolo parallelo ad alte prestazioni (noti anche come supercomputer), capaci di sollecitare migliaia di processori contemporaneamente, e di enormi risorse computazionali in termini di tempo di calcolo e memoria di archiviazione. Un esempio di tale tipologia di computer è il supercalcolatore Leonardo ospitato presso la facility nazionale di calcolo ad alte prestazioni del CINECA (si veda Figura 2). Ulteriori difficoltà legate allo sviluppo e allo studio dei modelli sono la complessità dei dati prodotti e la quantità enorme di informazioni scientifiche in essi contenuta, difficile da estrarre e interpretare. Sono aspetti che rappresentano una sfida sia per l’analisi che per la visualizzazione dei dati prodotti dai moderni modelli scientifici.

Ed è qui che entra in gioco la Realtà Virtuale, emergendo come uno strumento potente e innovativo per l’analisi e la visualizzazione di modelli scientifici complessi. Originariamente sviluppata per scopi di intrattenimento, la VR (ndr Virtual Reality) sta trovando applicazioni sempre più significative nella ricerca scientifica.

Gli scienziati dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo e dell’Università degli Studi di Palermo contribuiscono attivamente a questa rivoluzione, sviluppando nuovi strumenti che consentono di esplorare e studiare modelli 3D in un ambiente immersivo. Un approccio che non solo sta migliorando la comprensione dei fenomeni astrofisici, ma rende la scienza più accessibile e coinvolgente per un pubblico più ampio anche di non addetti ai lavori.

Le Potenzialità della Realtà Virtuale nella Ricerca Scientifica

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La realtà virtuale offre una serie di vantaggi unici rispetto ai metodi tradizionali di visualizzazione dei dati scientifici. In un contesto tradizionale, gli scienziati sono spesso limitati a rappresentazioni bidimensionali sugli schermi dei computer, che possono rendere difficile l’analisi dei dati e l’interpretazione di strutture complesse in essi contenute. La VR, invece, permette ai ricercatori di immergersi, se così si può dire, completamente nei dati, navigando in uno spazio tridimensionale che replica fedelmente le condizioni simulate (Figura 3).

La capacità di esplorare i modelli scientifici in tre dimensioni è particolarmente utile in campi come l’astrofisica, dove le strutture che caratterizzano un determinato oggetto o fenomeno celeste possono presentare una grande ricchezza di particolari, oppure in strutture spesso interconnesse tra loro, la cui natura rende difficile identificare quali siano i processi fisici responsabili per questa o quella struttura o proprietà del fenomeno studiato. Per esempio, se si considera l’esplosione di una supernova: i detriti stellari espulsi possono formare una complessa rete fatta di filamenti e nodi di plasma con composizione chimica diversa che sono difficili da visualizzare e analizzare in 2D. Tale struttura spesso riflette processi fisici che avvengono subito dopo il collasso del nucleo stellare e, pertanto, codificano informazioni che possono essere di notevole importanza per studiare le complesse fasi che seguono il collasso del nucleo stellare e determinano l’esplosione della supernova. Con la realtà virtuale, gli scienziati possono navigare e interagire con i modelli generati in modo naturale e intuitivo, superando le limitazioni delle tradizionali rappresentazioni 2D su schermo. Una tecnica che facilita l’esame delle strutture da diverse angolazioni e punti di vista, e può permettere di isolare e analizzare specifici elementi del modello con una precisione difficile da raggiungere con metodi di visualizzazione tradizionali.

Il Progetto 3DMAP-VR

Il progetto 3DMAP-VR (3-Dimensional Modeling of Astrophysical Phenomena in Virtual Reality) è stato avviato nel 2019 dai ricercatori dell’INAF – Osservatorio Astronomico di Palermo con l’obiettivo di creare un ambiente di lavoro e sviluppo di modelli scientifici i quali si avvalgono anche di strumenti per la realtà virtuale. I modelli MHD tridimensionali, ricchi di dettagli e informazioni scientifiche, vengono generati attraverso simulazioni numeriche eseguite su supercomputer. Le simulazioni che ne risultano tengono conto di tutti i processi fisici rilevanti nei fenomeni astrofisici come, ad esempio, la gravità, la conduzione termica orientata dal campo magnetico, le perdite di energia dovute alla radiazione, le deviazioni dall’equilibrio della temperatura tra protoni ed elettroni, il riscaldamento dovuto al decadimento radiativo di elementi instabili (come, per esempio in nickel 56 prodotto a seguito di una esplosione di supernova) e l’accelerazione di particelle a velocità relativistiche come quelle che costituiscono i raggi cosmici.

Il processo per creare visualizzazioni in VR dei modelli scientifici nel progetto si articola in tre fasi principali:

1. Accurate simulazioni 3D MHD per scopi scientifici: innanzitutto, i modelli 3D MHD vengono prodotti tramite simulazioni numeriche eseguite su supercomputer paralleli. Sono necessarie milioni di ore di calcolo e l’uso di migliaia di processori in parallelo.
2. Strumenti per l’analisi dei modelli e per la produzione di mesh e texture dei diversi componenti del modello: come secondo passo, vengono realizzate grafiche 3D interattive e navigabili delle simulazioni astrofisiche utilizzando strumenti comunemente impiegati dalla comunità scientifica per l’analisi dei dati. Una tecnica mista costituita da superfici isodensità multistrato con diverse opacità è impiegata per realizzare le grafiche 3D.
3. Strumenti per la creazione di oggetti esplorabili in realtà virtuale: infine, una rappresentazione in VR dei modelli astrofisici viene realizzata caricando le grafiche 3D su piattaforme pubbliche come Sketchfab, una delle più grandi piattaforme open access per la pubblicazione e la condivisione di contenuti di realtà virtuale e di realtà aumentata. Una volta caricate le grafiche 3D, le rappresentazioni per realtà virtuale del modello vengono riprodotte attraverso un ambiente intuitivo fornito da Sketchfab per definire le proprietà (come opacità, texture, luminosità, ecc.) degli oggetti che compongono il modello e per il post-processing del modello al fine di migliorare il rendering e mettere in risalto caratteristiche o proprietà specifiche di interesse per l’oggetto astronomico studiato (Figura 4).

Divulgazione e Coinvolgimento del Pubblico

Uno degli aspetti più interessanti del progetto 3DMAP-VR è la sua capacità di rendere la scienza accessibile e coinvolgente per il pubblico. Nell’ambito di questo progetto, sono state realizzate diverse gallerie di modelli, esplorabili anche in realtà virtuale, sui siti Sketchfab e Artstation, quest’ultima una piattaforma leader per la vetrina di arte e design (vedi esempi nella Figura 5). Sono gallerie che promuovono una divulgazione ampia e accessibile dei risultati scientifici, coinvolgendo sia la comunità scientifica che il pubblico. Ad esempio, su Sketchfab la galleria “Universe in hands”, è dedicata ai modelli 3D MHD originariamente sviluppati per la ricerca scientifica e pubblicati su riviste internazionali i quali hanno permesso di esplorare e studiare vari aspetti affascinanti degli oggetti celesti (vedi Figura 5) come ad esempio: strutture magnetiche della corona solare e delle stelle di tipo spettrale avanzato; fenomeni di accrescimento in stelle giovani in formazione; getti protostellari; esplosioni di novae e supernove; meccanismi di accelerazione di particelle relativistiche nei fronti d’urto dei resti di supernova. Grazie a queste rappresentazioni 3D interattive, è possibile condividere la meraviglia dell’astrofisica con un vasto pubblico, rendendo accessibili e comprensibili i complessi processi cosmici che modellano il nostro Universo.

I contenuti derivati dalle simulazioni scientifiche hanno riscosso un enorme successo durante gli eventi di divulgazione scientifica e tra i non esperti. Un risultato positivo che ha motivato i ricercatori di INAF a spingersi oltre le simulazioni numeriche. Sono stati così realizzati nuovi modelli non basati solo su simulazioni scientifiche, ma arricchiti di dettagli non presenti nelle simulazioni che illustrano fenomeni e oggetti astrofisici sulla base delle attuali conoscenze. La prima collezione della nuova classe di risorse è stata “The art of Astrophysical Phenomena“, dove è possibile visitare ed esplorare modelli che illustrano con l’ausilio di grafiche accattivanti, la fisica che governa svariati fenomeni e oggetti astrofisici. Alla prima sono seguite altre due collezioni: “Anatomy of Astrophysical Objects” e “The Science of Science Fiction“. La prima collezione mostra rappresentazioni schematiche adatte alla didattica per comprendere la struttura degli oggetti astrofisici sulla base delle attuali conoscenze. La seconda collezione esamina famosi film di fantascienza mettendo in evidenza i passaggi nei quali essi riproducono più o meno accuratamente la scienza (fornendo così una scienza plausibile e precisa).

I modelli sono stati utilizzati inoltre per creare una serie di video adatti alla divulgazione scientifica che descrivono oggetti e fenomeni astrofisici, disponibili in italiano (SocialMente: condividiAMO l’Universo) e in inglese (Universe in hands). Infine, altri contenuti sono stati utilizzati ancora per animare mostre in eventi di divulgazione pubblica oppure per esposizioni nei planetari. Un esempio di utilizzo è il Museo dei Modelli Astronomici, MuMAS realizzato dai membri del progetto 3DMAP-VR specializzati nella didattica e comunicazione ove è possibile osservare da vicino, con l’ausilio della tecnologia del metaverso, oggetti astrofisici tra i più energetici dell’Universo (pannello in alto a sinistra in Figura 6).

Le risorse prodotte nell’ambito del progetto 3DMAP-VR stanno avendo un impatto straordinario anche a livello internazionale, trasformando di fatto il modo in cui si comunica la scienza. Alcuni dei modelli 3DMAP-VR sono inoltre stati impiegati dalla NASA per creare affascinanti visualizzazioni di oggetti astronomici osservati con telescopi a raggi X. In fine, sono stati sviluppati kit di stampa 3D per persone con disabilità visive, rendendo l’astronomia accessibile a tutti.

Il prestigioso Smithsonian Astrophysical Observatory ha integrato vari modelli di 3DMAP-VR nel proprio museo virtuale Voyager, accessibile a tutti e che presenta modelli scientifici sviluppato da immagini generate dall’Osservatorio a raggi X Chandra (pannello in basso a sinistra in Figura 6). Allo stesso tempo, la California Academy of Sciences ha sfruttato uno dei modelli di 3DMAP-VR nella produzione di “Spark: The Universe in Us“, un documentario mozzafiato che esplora la profonda connessione tra noi e le stelle partendo dalle origini cosmiche degli elementi che ci compongono (pannello in alto a destra in Figura 6). Infine, cinque dei più affascinanti resti di supernova della nostra Galassia e della Grande Nube di Magellano (Cassiopea A, la nebulosa Granchio, SN 1006, IC 443 ed SN 1987A) sono diventati protagonisti di “StarBlast“, un’applicazione che sfrutta la realtà virtuale per coinvolgere il pubblico in emozionanti viaggi spaziali, e che rientra tra le attività di divulgazione scientifica del progetto internazionale PHAROS. L’applicazione, sviluppata da ricercatori dell’Università di Palermo in collaborazione con l’INAF è totalmente gratuita e disponibile sulla piattaforma STEAM. Grazie a queste attività, l’Universo diventa più accessibile, ispirando meraviglia e curiosità verso i misteri del cosmo.

Analisi di Dati Scientifici

Oltre alla visualizzazione immersiva dei modelli 3D MHD, le tecnologie per realtà virtuale possono essere sfruttate per un’analisi approfondita degli stessi modelli. Gli strumenti di analisi basati sulla VR consentirebbero di esplorare i modelli 3D in modo interattivo, raggiungendo un livello di dettaglio che non può essere ottenuto con le piattaforme di visualizzazione e analisi dei dati tradizionali. Tuttavia, gli strumenti basati sulla realtà virtuale specificamente progettati per l’analisi delle simulazioni numeriche non sono ancora di uso comune nella comunità scientifica, e richiedono ancora lo sviluppo di tecniche e metodi ad hoc.

I ricercatori dell’INAF di Palermo stanno ora lavorando ad un progetto innovativo per analizzare simulazioni scientifiche in VR. Per la sperimentazione hanno optato per Unreal Engine (UE), originariamente un motore per videogiochi che per le sue incredibili capacità grafiche e di interattività è potenzialmente adatto anche per l’analisi delle simulazioni scientifiche. Il primo passo è stato visualizzare in 3D i modelli di simulazioni scientifiche in tempo reale, ciò ha permesso di dimostrare la fattibilità dell’esplorazione dei dati scientifici in modo nuovo, con la possibilità di modificare le visualizzazioni in tempo reale tramite un opportuno pannello di controllo in VR. La successiva integrazione di UE con ParaView, un potente software di analisi dei dati usato dalla comunità scientifica, ha concesso ai ricercatori di analizzare e visualizzare i risultati direttamente nell’ambiente per realtà virtuale. Il risultato più significativo è la dimostrazione che è possibile eseguire analisi avanzate in pochi secondi, rendendo la scienza più interattiva e accessibile.

Conclusione

La realtà virtuale potrebbe rivoluzionare la nostra visione dell’Universo. Grazie al progetto 3DMAP-VR si è visto come questa tecnologia può trasformare profondamente la ricerca scientifica e la comunicazione delle scoperte astronomiche. Uno degli aspetti più affascinanti della realtà virtuale è la sua capacità di rendere la scienza accessibile a chiunque, non solo agli esperti. Grazie alla realtà virtuale, esplorare l’Universo diventa un’esperienza coinvolgente, che permette di vedere e comprendere fenomeni complessi in modo interattivo e intuitivo. Con l’evoluzione tecnologica in corso, ci attendiamo un aumento delle applicazioni innovative che sfrutteranno le straordinarie capacità con tecniche simili. Progetti come 3DMAP-VR forniscono un supporto ai modelli scientifici che spingono più avanti i confini della conoscenza scientifica. Ma ancor di più possono anche rendere l’astrofisica accessibile, coinvolgente e inclusiva per tutti, dimostrando il potenziale della tecnologia nel rendere la scienza un’affascinante avventura per ogni curioso.

Approfondimenti

Articoli scientifici relativi al progetto 3DMAP-VR:

• Orlando,I, Pillitteri, F.  Bocchino, L. Daricello, and L. Leonardi, “3DMAP-VR, A Project to Visualize Three-dimensional Models of Astrophysical Phenomena in Virtual Reality”, Res. Notes AAS 3 176 (2019)
• Leonardi, S. Orlando, S. Daricello, “Come ti racconto l’Astrofisica:video innovativi, realtà virtuale e aumentata”, Bricks n.4 (2022)
• Orlando, M. Miceli, U. Lo Cicero, and S. Ustamujic, “Virtual reality for the analysis and visualization of scientific numerical models”, Mem. S.A.It. Vol. 94, 13 (2024)

Notizia media INAF sull’applicazione StarBlast:

–       StarBlast: esplosioni stellari in realtà virtuale, Redazione Media Inaf,29/11/2021

–       DEMO – StarBlast, a VR tour of the outcome of stellar explosions, youtube

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L’articolo è pubblicato in COELUM 269 VERSIONE CARTACEA