Uno dei grandi interrogativi che affliggono gli astronomi riguarda la materia oscura: cos’è, quanta ce n’è, com’è distribuita. Le lenti gravitazionali sono uno strumento straordinario che ci permette di rispondere ad alcune di queste domande fondamentali. Da oggi c’è un alleato in più: l’astronomo artificiale.

Trovare lenti gravitazionali può essere un processo lungo, ma un gruppo di astronomi ha sviluppato un modo per renderlo più facile usando l’intelligenza artificiale e le reti neurali. Ma prima di analizzare il progetto nel dettaglio…

Cosa sono le lenti gravitazionali?

L’intelligenza artificiale fa capolino anche in questo genere di ricerche: pure in questo caso l’ausilio dell’A.I. si basa fondamentalmente sulla capacità di elaborare e interpretare le immagini dello Spazio a velocità incomparabili rispetto a quelle umane.
Spiegazione grafica di una lente gravitazionale. Credits: www.wired.it

Con l’espressione “lente gravitazionale” si intende un corpo, come una galassia o un buco nero, che per la sua massa, produce una deviazione della luce che gli passa accanto in virtù della sua forza di gravità.

Le lenti gravitazionali si formano quando una galassia è posizionata dietro un’altra (almeno dalla nostra prospettiva) eppure è ancora possibile vedere la galassia nascosta che spunta dai bordi di quella davanti.

Un fenomeno ipotizzato per la prima volta nel 1913, da Einstein, e faticosamente confermato in sessant’anni di osservazioni, tra il 1919 e il 1980.

Un’interazione della luce con i corpi celesti, era già stata ipotizzata nella teoria della relatività generale da Albert Einstein, e fu confermata in seguito durante un’eclissi totale di Sole, quando delle stelle “coperte” dall’astro risultarono invece visibili per l’incurvamento della luce ad opera della forza di gravità della stella madre.

L’intelligenza artificiale fa capolino anche in questo genere di ricerche: pure in questo caso l’ausilio dell’A.I. si basa fondamentalmente sulla capacità di elaborare e interpretare le immagini dello Spazio a velocità incomparabili rispetto a quelle umane.
Una delle fotografie di Eddington dell’eclissi solare totale del 29 maggio 1919, presentata nell’articolo a conferma della teoria della relatività generale. Credits: www.wikipedia.it

La materia piega lo spazio-tempo e questa deformazione del tessuto dell’universo è ciò che chiamiamo gravità. Se la materia è molto concentrata (come nel caso di buchi neri o interi ammassi di galassie), piega lo spazio talmente tanto da curvare anche la traiettoria della luce che lo attraversa.

Perché interessarsi delle lenti gravitazionali?

Agli astronomi interessano le lenti gravitazionali per una gran quantità di ragioni. Fra la altre, anche e soprattutto l’approfondimento sulla materia oscura che compone il 90% della massa dell’universo. Grazie alle lenti gravitazionali siamo riusciti a vedere galassie e supernove lontanissime altrimenti invisibili.

Ma le lenti sono rare a causa di quanto siano difficili da trovare. Il processo tipico per trovare questi fenomeni implica scattare un’istantanea di un angolo del cosmo e poi fare in modo che gli scienziati riversino l’immagine a mano per vedere se riescono a individuare qualsiasi segno dell’effetto distorsivo.

L’intelligenza artificiale fa capolino anche in questo genere di ricerche: pure in questo caso l’ausilio dell’A.I. si basa fondamentalmente sulla capacità di elaborare e interpretare le immagini dello Spazio a velocità incomparabili rispetto a quelle umane.
Credits: www.hubblesite.org

Interpretare la deformazione è però un problema: delle lenti nello spazio non conosciamo le “caratteristiche tecniche”, com’è invece per una lente di ingrandimento. Come si ricostruisce allora l’immagine “vera”?

Ci sono “esperti che per settimane lavorano a simulazioni lunghe e complesse“, spiega Laurence Perreault Levasseur, dell’Università di Stanford, California: “un lavoro che una rete neurale può fare quasi in una frazione di secondo“.

Una rete neurale artificiale: un modello matematico che si ispira a una rete neurale biologica.

Un gruppo di astronomi delle università di Groningen, Napoli e Bonn ha progettato un’intelligenza artificiale basata su un sottoinsieme di reti neurali chiamate reti neuronali convoluzionali, un tipo di algoritmo noto per la sua capacità di analizzare le immagini alla ricerca di piccoli dettagli.

Ma come funziona?

L’intelligenza artificiale fa capolino anche in questo genere di ricerche: pure in questo caso l’ausilio dell’A.I. si basa fondamentalmente sulla capacità di elaborare e interpretare le immagini dello Spazio a velocità incomparabili rispetto a quelle umane.
L’utilizzo delle reti neurali per la ricerca di lenti gravitazionali. Credits: www.focus.it

La squadra di scienziati, che ha illustrato il proprio metodo nel numero di novembre della rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ha mostrato alla rete milioni di immagini provenienti da una piccola porzione di cielo, più o meno l’equivalente allo 0,5% della superficie totale. Nonostante le dimensioni contenutissime dell’esperimento, il sistema ha individuato in tempi incomparabili 761 potenziali lenti gravitazionali. Il successivo vaglio degli esperti le ha poi ridotte a 56.

La rete neurale non è però perfetta; non è stata addestrata a riconoscere piccole lenti gravitazionali e le 56 lenti trovate devono ancora essere confermate da telescopi come il Telescopio Spaziale Hubble.

“È la prima volta che una rete neurale convoluzionale è stata utilizzata per trovare degli oggetti particolari in un’indagine astronomica – ha spiegato Carlo Enrico Petrillo dell’ateneo di Groningen, in Olanda, – ritengo che diventerà la norma poiché i futuri campionamenti del cielo produrranno un’enorme quantità di dati, superiore alla capacità degli astronomi di analizzarli visivamente”.

La materia oscura

L’intelligenza artificiale fa capolino anche in questo genere di ricerche: pure in questo caso l’ausilio dell’A.I. si basa fondamentalmente sulla capacità di elaborare e interpretare le immagini dello Spazio a velocità incomparabili rispetto a quelle umane.
Simulazione di una lente gravitazionale: la luce emessa da una galassia sullo sfondo viene distorta
quando un buco si frappone in primo piano. Credits: www.wikipedia.it

Le lenti gravitazionali non sono solo un modo per osservare dettagli lontanissimi (e quindi antichissimi) dell’Universo, ma anche un ottimo indicatore della quantità di massa che genera la distorsione. In base alla distorsione possiamo calcolare la massa di un ammasso di galassie e vedere anche come cambia nel tempo. Uno fra gli indizi dell’esistenza della materia oscura (materia che ha massa, deforma lo spazio-tempo, ma non si vede a nessuna lunghezza d’onda) viene proprio dalle misure di massa delle galassie che creano lenti gravitazionali.

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