La teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, formulata all’inizio del secolo scorso (per la precisio­ne nel 1915), è stata una delle più sorprendenti teorie scientifiche della storia dell’umanità e ha rivo­luzionato la nostra conoscenza del cosmo. Einstein soppianta il con­cetto classico di forza, che si utiliz­zava nella descrizione della gravità classica elaborata da Newton, e ne rivoluziona i concetti base. Tempo e spazio non sono più enti assolu­ti, ma co-protagonisti negli eventi fisici. Massa ed energia modificano spazio e tempo. La gravità è quindi la manifestazione della curvatu­ra dello spazio-tempo, che a sua volta influenza i percorsi dei corpi, con massa, come pianeti e stelle, oppure senza massa, come i fotoni, i costituenti della luce.

Le predizioni della Relatività Generale

Come qualsiasi teoria fisica che si rispetti la Relatività Genera­le ha risolto un problema che attanagliava le menti di fisici e astronomi. Ha riprodotto esatta­mente l’angolo di precessione del perielio dell’orbita di Mercurio e ha predetto fenomeni ed eventi dei quali si ignorava l’esistenza. Tra le prime intuizioni della Rela­tività Generale, numericamente verificate dalle osservazioni, c’è l’effetto di deflessione della luce a causa della curvatura dello spa­zio-tempo ad opera di un corpo celeste, come una stella. Einstein predice che la posizione appa­rente di una stella (sorgente) che si trovi sul bordo del Sole (lente) dovrebbe essere spostata di circa 1.75 secondi d’arco (un angolo 1000 volte inferiore a quello che sotten­de la Luna nel cielo) rispetto alla sua posizione vera. La teoria della gravitazione classica di Newton pre­diceva un valore esattamente pari alla metà. In quegli anni ci si chie­deva quindi chi avesse ragione e in occasione di una eclissi di Sole, Sir Arthur Eddington, misurò un valore prossimo a quello della predizione della Relatività Generale, dando ragione ad Einstein e alla sua idea rivoluzionaria. Era stata osservata la prima lente gravitazionale, un vero e proprio miraggio creato dalla gravità. A seguire, attraverso la riso­luzione delle complesse equazioni della Relatività Generale è stata anche ipotizzata l’esistenza di corpi celesti con una gravità così inten­sa da trattenere la luce, e che corpi in rotazione producono delle onde che si propagano all’interno del substrato dello spazio-tempo. Stia­mo parlando di buchi neri e onde gravitazionali, osservati un secolo dopo la loro formulazione teorica, fornendo ulteriori decisive conferme della bontà della teoria di Einstein. La Relatività Generale è anche alla base della migliore descrizione che abbiamo del nostro universo, permettendoci di spiegare l’allonta­namento accelerato delle galassie attraverso un modello cosmologico di riferimento nel quale l’universo nasce da un Big Bang e si espande indefinitamente.

Lenti gravitazionali

I miraggi gravitazionali sono diventa­ti sempre più comuni negli ultimi decenni. Inizialmente, il fenomeno è stato osservato all’interno della nostra galassia, dove stelle deflette­vano la luce di altre stelle, sia nella Via Lattea sia in galassie vicine.

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Tuttavia, l’effetto si è rivelato ancora più affascinante spingendosi oltre la nostra galassia, verso galassie lontane e ammassi di galassie. Il lensing gravitazionale può veri­ficarsi anche quando la sorgente luminosa è una galassia o un qua­sar distante, situato dietro un’altra galassia o persino dietro un intero ammasso che funge da lente gravi­tazionale. Si tratta di un effetto che nella sua forma debole, è presente quasi ovunque, attraverso delle flebili distorsioni nelle sorgenti di fondo ad opera di singole galassie e ammassi di galassie più vicini, si parla in questo caso di weak lensing. Ma quando sorgente e lente sono quasi lungo la stessa linea di vista si manifesta lo strong lensing, ge­nerando un effetto molto più evi­dente e creando alcune delle imma­gini astronomiche più spettacolari: l’immagine di una sorgente di fondo può essere duplicata o quadruplica­ta, la sua luce amplificata e i fotoni delle diverse immagini possono arrivare con ritardi differenti.
Se la sorgente è estesa, la sua im­magine può essere deformata fino a formare archi e, in casi particolari, quando la sorgente e la lente sono perfettamente allineate, si genera il cosiddetto Anello di Einstein, un anello perfetto, una delle manifesta­zioni più iconiche delle lenti gravi­tazionali.
Abbiamo dovuto attendere più di 60 anni dalla formulazione della teoria di Einstein per osservare la prima lente gravitazionale situata al di fuori della nostra galassia: il quasar doppio QSO 0957+561. Si tratta di un quasar osservato due volte a causa della deflessione della sua luce da parte di una galassia-lente inter­posta lungo la linea di vista. Nel corso degli anni, il numero di lenti gravitazionali scoperte, con galas­sie o ammassi di galassie come lente, è aumentato costantemente, ampliando la nostra comprensione di questo straordinario fenomeno cosmico.

Oltre ad essere spettacolari a cosa servono le onde gravitazionali?

Mi piace dire che possiamo immaginarle come una bilancia, un telescopio e un cronometro, perché a questi tre oggetti corrispondono alcune delle loro applicazioni più importanti. Una lente gravitazionale è come una bilancia, perché il suo effetto dipende dalla gravità della lente stessa, ciò permette di determinare la massa della lente all’interno del raggio di Einstein, attraverso la misura delle posizioni delle immagini multiple e degli archi. Si tratta del metodo più preciso per stimare la massa di un corpo astrofisico nell’U­niverso, poiché si basa esclusivamente sulla Relatività Generale e sulle distanze di lente e sorgente. Inol­tre, le lenti gravitazionali consentono di rilevare la presenza di sottostrutture di materia oscura. La materia oscura è uno dei misteri dell’astrofisica moderna, tanto è elusiva agli esperimenti, quanto è necessaria per spiegare i risultati del lensing gravitazionale e descrivere i moti delle stelle nelle galassie. Sono an­che come un telescopio naturale, perché alcune immagini multiple risultano amplificate, permettendoci di osservare sorgenti che altrimenti sarebbero troppo deboli. Questa amplificazione è legata a un aumen­to dell’angolo solido sotteso, consentendo di “risolvere” strutture molto piccole nella sorgente di fondo, rivelando dettagli infinitesimali. Infine, una lente gravitazionale si comporta come un cronometro. I fotoni delle diverse immagini percorrono cammini leggermente diversi e arrivano con ritardi temporali tra loro. Se la sorgente di fondo è variabile nel tempo, come un quasar, misurando le curve di luce nelle singole imma­gini si può calcolare questo ritardo. Questo consente di determinare un parametro cosmologico fondamen­tale: la costante di Hubble, cioè la costante di proporzionalità tra la velocità di espansione dell’Universo e la distanza delle galassie. Conoscere con precisione la costante di Hubble ci permette, tra le altre cose, di vincolare l’età dell’Universo.

Lo stato dell’arte e il telescopio Euclid

Nel suo regime forte il lensing gravi­tazionale è però un evento piuttosto raro, perché si verifica solo quando, ad esempio, due galassie risultano quasi perfettamente sovrapposte lungo la stessa linea di vista, una circostanza molto improbabile.
Per trovarne in quantità maggiori abbiamo dovuto cercarle in grandi aree di cielo, esplorate da survey astronomiche sviluppate utilizzan­do vari telescopi situati ovunque sul globo terrestre.
In particolare per le mie ricerche, negli ultimi 10 anni ho utilizzato i dati della survey Kilo Degree Survey (KiDS), effettuata col telescopio VLT Survey Telescope (VST) (vedi Coelum 270 articolo VST), un telesco­pio napoletano situato sulle Ande Cilene. Ma l’intera comunità si è sforzata di fare lo stesso usando dati di svariate survey astronomi­che (DES e HSC, per citarne un paio). Sfortunatamente, queste survey si basano su osservazioni da Terra e sono quindi penalizzate dall’effetto disturbante dell’atmosfera, noto come seeing atmosferico. Il fenome­no, dovuto alla rifrazione dei fotoni nell’atmosfera, provoca una sfoca­tura delle immagini, riducendone la risoluzione spaziale e rendendo più difficile l’individuazione delle lenti gravitazionali. La soluzione è cercar­le usando telescopi che osservino dallo spazio. L’unico strumento spa­ziale che avrebbe potuto consentirci di farlo è il telescopio Hubble ma, il suo piccolo campo di vista ren­de impraticabile l’osservazione di ampie regioni di cielo. Il più recente telescopio James Webb invece non offre una soluzione migliore, seb­bene stia rivoluzionando lo studio dell’universo profondo.
In soccorso arriva per fortuna il tele­scopio dell’ESA Euclid, che riesce a riassumere le migliori caratteristi­che degli studi precedenti, contan­do su una risoluzione non influen­zata dall’atmosfera e la possibilità di osservare, e velocemente, una vasta area di cielo. La survey wide di Euclid osserverà infatti circa 14 000 gradi quadrati del cielo, e cioè un terzo dell’intera volta celeste, con un filtro ottico e 3 filtri nel vicino infrarosso, un area di cielo mai osservata con così tanto dettaglio. Il suo scopo scientifico primario è quello di utilizzare il weak lensing per creare una mappa del contenuto di materia oscura ed energia oscura nell’universo, ma studierà anche la storia evolutiva di galassie ed ammassi di galassie. Se ci riferiamo allo strong lensing, potenzialmente, Euclid potrà permetterci di scoprire oltre 100000 lenti gravitazionali.
La missione Euclid coinvolge ricer­catori e tecnologi che provengono da nazioni, istituzioni, contesti culturali e background scientifi­ci diversi, un variegato gruppo di ricercatori che perseguono lo stesso obiettivo, ottenere e analizzare dei dati che permettano di avanzare la nostra conoscenza del cosmo. All’in­terno della collaborazione c’è poi un gruppo di lavoro specifico che si occupa di lenti gravitazionali, un gruppo guidato dai ricercatori Fred Courbin (dell’Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna, EPFL), Raphael Gavazzi (Institut d’Astrophysique de Marseille), e l’italiano Massimo Meneghetti (dell’INAF di Bologna), che ha lasciato il suo ruolo, recen­temente, a Ben Metcalf, professore associato all’Università di Bologna. Ho il piacere di far parte di questo gruppo attivissimo, fatto di ricer­catori che nelle loro esperienze precedenti erano in competizione, perché in passato facevano parte di gruppi distinti, ma che ora lavorano di comune accordo, con lo stesso obiettivo.

Le prime immagini

Lanciato l’1 luglio del 2023 con un Falcon9 di Space X, Euclid si è posi­zionato dove previsto, in una zona di equilibrio a 1.5 milioni di km dalla Terra, nel punto Lagrangiano L2 del sistema Terra-Sole, dove stazionerà per i prossimi anni. Combattendo con qualche piccolo imprevisto, ha aggiustato il tiro e ha iniziato ad osservare ininterrottamente il cielo, regalandoci immagini spettacola­ri, le prime delle quali sono state rilasciate nel maggio del 2024. Esse ritraevano galassie locali, ammas­si di galassie, ammassi stellari, osservati all’interno delle cosiddette Early-Release Observations (EROs), che da subito hanno mostrato le potenzialità immense di Euclid. Tra le tante, l’immagine dell’ammasso di Perseo ha fatto il giro del mondo, rimbalzando sui siti di ogni ango­lo del pianeta (vedi Coelum n°268) e ci sta consentendo di studiare quel denso ambiente di galassie come mai fatto prima, nonostante la considerevole distanza di 240 milioni di anni luce. Nello stesso campo, schivando le galassie che fanno parte dell’ammasso e guar­dando più lontano, abbiamo iniziato a cercare lenti gravitazionali con il progetto ELSE (ERO Lens Search Experiment), il primo esperimento di ricerca di lenti gravitazionali in Euclid. Le prime lenti gravitazionali così scoperte sono state presentate nella pubblicazione con primo auto­re Javier Acevedo-Barroso dell’EPFL di Losanna. I 41 membri del gruppo si sono cimentati nell’ispezione visuale di circa 12000 galassie nei 0.7 gradi quadrati attorno al centro dell’ammasso, individuando alcu­ni prime candidati da indagate e seguire con telescopi da Terra per misurarne le distanze di lente e arco, e con lo scopo di validarne la natura per procedere alle prime analisi scientifiche. Sono poi seguiti altri due articoli, guidati da Bharath Nagam, dottorando dell’Università di Groningen e di Ruby Pearce-Ca­sey, dottoranda della Open Universi­ty di Milton Keynes.

Come trovarne tante?

L’indagine ha richiesto uno sforzo enorme, sostenibile solo perché l’a­rea del cielo sotto analisi era signi­ficativamente limitata. Estendere la tecnica all’intera survey, significhe­rebbe effettuare l’ispezione visuale di centinaia di milioni di galassie, un compito impensabile, pur con­tando su svariate decine di esperti ricercatori nel campo. Nulla di nuo­vo, la criticità infatti è nota da anni e ha spinto la comunità a dotarsi di modi più efficienti per individuare lenti gravitazionali. Il primo è ora­mai scontato ed è l’introduzione di intelligenza artificiale attraverso l’uso di reti neurali convoluzionali, una specifica tipologia di reti neurali ispirate alla corteccia visiva animale e che si sono dimostrate efficaci nel riconoscere forme nelle immagini, prima di gattini e cagnolini, e poi di galassie e infine di lenti gravitazio­nali. Sebbene il supporto dell’occhio umano non possa mancare per scremare i risultati delle reti da falsi positivi (cioè sorgenti ritenute lenti gravitazionali dalla rete, ma nei fatti tutt’altro), questo approccio ha con­sentito di scoprire centinaia di lenti gravitazionali nelle vaste aree di cielo osservate dalle varie survey da Terra (ad esempio KiDS, DES, HSC).
La seconda modalità di aiuto in­vece coinvolge la cosidetta citizen science, letteralmente “scienza del cittadino”. Facendo leva sull’enorme comunità di appassionati di astro­fisica, che potenzialmente conta decine di migliaia di persone, e sulla loro disponibilità a osservare imma­gini astronomiche e classificare le sorgenti in esse contenute, si coin­volgono migliaia di persone comuni su un compito che noi, in pochi, non potremmo svolgere da soli: la clas­sificazione di galassie e, nel nostro caso, di lenti gravitazionali.

NGC 6505, L’UNICO ANELLO

“Un Anello per domarli, un Anello per trovarli, Un Anello per ghermirli e nel buio incatenarli”, così recita Il Signore degli Anelli, e, proprio come l’Unico Anello nella saga di Tolkien, anche la storia di NGC 6505 è unica e affascinan­te.
NGC 6505 è una galassia non comune, è una galassia distan­te quasi 600 milioni di anni luce, scoperta nel 1884, è parte di uno dei cataloghi di galassie più noti a astrofisici ed appas­sionati, il New General Catalog. Per caso, uno dei ricercatori di Euclid, Bruno Altieri dell’ESA, ha scoperto, attorno a questa galassia, un anello di Einstein quasi completo, con un raggio 5 volte inferiore al raggio che contiene metà luce. Abbiamo presentato questa scoperta in un articolo con primo nome Conor O’Riordan, post-doc al Max-Planck-Institut di Garching in Germania. È un tipo di len­te ancora più rara di una lente gravitazionale comune, perché la probabilità che un tale evento avvenga con una galassia lente così vicina è estremamente bas­sa. Pensate che Euclid ne potrà scoprire un numero compreso fra i 4 ai 20 esemplari e la scien ­za che si potrà fare con NGC 6505 e galassie simili è ancora più interessante.
Il raggio dell’anello è così picco ­lo da permettere di ottenere una stima precisa della massa in una regione della galassia dove la luce delle stelle domina, e quindi dove la frazione di ma­teria oscura è minima. Per NGC 6505 abbiamo stimato che entro questo raggio la frazione di ma­teria oscura è dell’ordine del 10% della massa totale. Ciò consente di vincolare il solo contenuto di stelle, e quindi la cosiddet­ta funzione di massa stellare iniziale, e cioè la proporzione di stelle di piccola massa rispetto a quelle di grande massa, quan ­tità nota nella nostra Galassia, ma più incerta in altre galassie. Potendo studiare una regione della galassia dove la materia oscura ha un ruolo seconda ­rio, NGC 6505 e le sue gemelle aiuteranno anche a vincolare la teoria della gravità, mettendo in evidenzia eventuali discrepan­ze dalla teoria della Relatività Generale.

I primi 63,1 gradi quadrati

Il gruppo che si occupa della ricerca di lenti gravitazionali ha combinato i tre approcci: reti neurali, citizen science e ispezione visuale da parte di esperti in un unico processo, chiamato “The Strong Lensing Disco­very Engine”, letteralmente “motore di ricerca di lenti gravitazionali” applicandolo ai primi 63,1 gradi quadrati osservati da Euclid, parte della cosiddetta Quick Release 1.
Il giorno 19 marzo sono stati rila­sciati al pubblico questi primi dati, collezionati ad una profondità pari a quella della survey wide (che osser­verà 14 000 gradi quadrati), ma nei campi della survey deep, che alla fine della survey raggiungeranno delle profondità maggiori. Un gran­de sforzo di collaborazione che ha permesso in pochi mesi di rilascia­re alla comunità scientifica molti dati, assieme a svariati articoli scientifici, sottoposti al processo di referaggio per la rivista Astronomy & Astrophysics, e ovviamente cor­redati da fantastiche immagini di galassie vicine e lontane e ammassi di galassie.
Ma in cosa consiste l’“engine” uti­lizzata? Alcuni membri del gruppo di lavoro delle lenti gravitazionali hanno addestrato le loro reti neurali a riconoscere lenti gravitazionali da galassie normali, le hanno applicate ad un campione di circa 1 milione di immagini di singole galassie, e han­no selezionato un numero di possi­bili candidati. Le immagini di questi candidati sono state fornite alla piattaforma Space Warps, gestita da Zoouniverse, con cui la gestione di Euclid ha sancito un accordo per progetti legati alla citizen science. In quasi 6 settimane, circa 1800 sin­goli utenti della piattaforma hanno fornito oltre 800000 classificazioni ispezionando in maniera visuale circa 80000 immagini di galassie alle quali le nostre reti neurali ave­vano assegnato un’alta probabilità di essere lenti gravitazionali, e in aggiunta altre circa 30000 galassie selezionate in maniera casuale nel nostro campione iniziale di galassie fornito alle reti neurali. Fra tutti i dati e candidati circa 7400 sorgenti sono state classificate come possi­bili lenti dai citizen. In ultimo è pro­prio questo campione ristretto che è stato dato in mano al gruppo di astronomi professionisti composto da 61 membri è che a conclusione ha fornito un numero pari a circa 75000 ulteriori nuove classificazio­ni.
Un processo impegnativo ma ricco di soddisfazioni, infatti, alla fine infatti di tutte le valutazioni. il team ha scoperto circa 500 lenti gravi­tazionali, molto probabili, in soli 63,1 gradi quadrati. Un campione paragonabile a quello scoperto in precedenti campagne osservative, che hanno sfruttato però un’area di cielo cento volte maggiore ed è facile intuire il numero enorme di lenti gravitazionali che Euclid possa scoprire nell’arco della sua opera­ tività, dopo aver osservato circa 14 000 gradi quadrati.
L’enorme lavoro è stato descritto e raccolto in 5 articoli guidati dai seguenti colleghi: Mike Walmsley, post-doc dell’Università di Toronto, Natalie Lines e Tian Li, dottorandi all’Università di Portsmouth, Philip Holloway, dottorando dell’Università di Oxford, Karina Rojas, post-doc all’Università di Portsmouth.
Il campione include lenti gravita­zionali di svariati tipi, con galassie lenti di diversa natura, massa, e configurazioni. Ma si fanno notare per peculiarità e per importanza scientifica 4 lenti gravitazionali molto speciali, descritte nell’arti­colo con primo nome Tian Li. Sono manifestazioni ancora più rare nelle quali la lente deflette la luce non di una, ma di ben due sorgenti situate a distanze diverse. In questa confi­gurazione si formano due insiemi di archi di diverso raggio che aiutano a vincolare con ancora maggiore precisione la distribuzione di massa della galassia lente, ma offrono anche preziosi vincoli sui parametri cosmologici, in particolare sull’ener­gia oscura responsabile, dell’espan­sione accelerata dell’universo

Descrivere i parametri delle lenti con l’intelligenza artificiale

Per caratterizzare le lenti gravita­zionali, sarà necessario modellarle, ricostruendo la distribuzione di massa della lente, una volta misu­rate le distanze di lente e sorgente.
Come descritto nell’articolo che vede Mike Walmsley come primo autore, il processo sarà effettuato grazie alla pipeline creata da James Nightingale, ricercatore all’Univer­sità di Newcastle. James è lo svi­luppatore di PyAutolens, software destinato appunto a modellare le lenti gravitazionali utilizzando un approccio classico che però, seb­bene preciso, è caratterizzato da tempi di elaborazione molto lunghi. Ancora una volta un problema ben noto alla comunità di professionisti quando si voglia ottenere i parame­tri di un modello, sia basati sulla minimizzazione di una funzione ispezionando una griglia di valori sia attraverso delle catene Marko­viane.

La ricerca di soluzioni più rapide porta ancora una volta ad inter­pellare l’intelligenza artificiale per ottenere i parametri distintivi di una lente gravitazionale. Con altri collaboratori quindi abbiamo svi­luppato una rete neurale, chiamata LEMON (LEns MOdelling with Neural network), che permette di arrivare velocemente al risultato. Una prima presentazione del lavoro di analisi con la nuova tecnica è comparso nell’articolo con primo autore Fabri­zio Gentile, all’epoca studente all’U­niversità Federico II di Napoli, poi dottorando all’Università di Bologna e ora post-doc al CEA di Paris-Sa­clay. Recentemente però con il grup­po di lavoro di Euclid ci sono stati sviluppi tali da essere presentati in una nuova pubblicazione che vede Valerio Busillo, dottorando all’Uni­versità Federico II e all’INAF-Osser­vatorio Astronomico di Capodimon­te di Napoli, come primo autore. Nell’articolo mostriamo che LEMON, una volta addestrato su lenti simu­late, può modellare in un batter di ciglio e in maniera precisa raggio di Einstein, forma e dimensione della lente. LEMON riesce a svolgere questo compito non solo su lenti gravitazionali simulate, ma soprat­tutto sulle prime lenti gravitazionali scoperte da Euclid. Ciò ci consen­tirà di modellare le oltre 100000 lenti gravitazionali che scopriremo in tempi risibili (poche ore a fronte dei giorni/mesi richiesti dai metodi classici). Ma LEMON può fare molto di più velocizzando di quasi 30 volte PyAutolens e fornendo a quest’ulti­mo un aiuto, un punto di partenza per trovare il miglior modello.

Il Futuro

Le predizioni teoriche ci dicono che alla fine della survey Euclid potrà sco­prire un numero di lenti dell’ordine di 100000. Se proiettiamo il numero di lenti scoperte nei primi gradi quadrati osservati all’area dell’intera survey, con il nostro “motore di ricerca” potremo puntare a trovare una buona par­te, se non tutte, delle lenti previste. Al completamento della survey avremo prodotto un campione unico per studiare il contenuto e la distribuzione di materia oscura in galassie in funzione del tempo cosmico, della mas­sa e del tipo di galassie lenti, insieme al censimento delle sottostrutture di materia oscura al loro interno, nonché la possibilità di porre vincoli sui parametri cosmologici e le teorie della gravità. A questo si aggiungeranno le migliaia di archi giganti in ammassi di galassie che permetteranno di misurare la massa degli ammassi stessi, di capirne la storia di formazione e fornire ulteriori vincoli alla cosmologia.
È solo l’inizio, Euclid ha ancora molto tempo per svelare i misteri dell’Uni­verso, e in parte lo farà grazie ai suoi 100000 miraggi gravitazionali.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 273 VERSIONE CARTACEA