CITIZEN SCIENCE

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DI GIUSEPPE DONATIELLO

MILKYWAY @HOME

TUTTI POSSONO AIUTARE GLI SCIENZIATI A MAPPARE LA MATERIA OSCURA DELLA VIA LATTEA

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» Una rappresentazione grafica (in blu) dell’alone di materia oscura che si suppone circondi la nostra Galassia.

Inquadra il QR per un video dell’Eso (European Southern Observatory) che illustra questa simulazione.

Il concetto di “calcolo distribuito” ha da poco celebrato il quarto di secolo. Nel 1996 partiva il progetto Great Internet Mersenne Prime Search (Gimps), con cui si sfruttava la potenza di calcolo collettivo per cercare nuovi numeri primi. E il 17 maggio 1999 debuttava SETI@home, lanciato dal Berkeley Seti Research Center presso l’Università della California a Berkeley, con lo scopo di trovare segnali radio alieni. Il concetto del calcolo distribuito è semplice: risolvere problemi su larga scala utilizzando tempo CPU o GPU da computer altrimenti inattivi. L’ente promotore distribuisce pacchetti dati a volontari in tutto il mondo, grazie a internet. Adesso sembra facile, ma teniamo presente che quei primi progetti utilizzavano macchine con Ram di 256 kB e connessioni a 56 kb/s! Nonostante tutto, l’iniziativa fu un grande successo sul fronte partecipativo e su quello dei risultati. SETI@home non ha trovato ET nei dati raccolti dai radiotelescopi di Arecibo e Green Bank, ma anche questo è un risultato scientifico, poiché ora sappiamo che le civiltà aliene non sono così facili da trovare e probabilmente nemmeno comuni nella Via Lattea. SETI@home operava come i comuni “salvaschermo”, i sistemi che venivano utilizzati per prevenire il danneggiamento degli schermi catodici dalle immagini statiche. Sarà stata l’idea di contribuire a qualcosa di affascinante come il Seti (complice anche il film Contact), ma quel progetto vide l’adesione di milioni di persone per un tempo computer equivalente a centinaia di migliaia di anni. E fu il primo dedicato allo spazio. Ai progetti di calcolo distribuito si affiancarono quelli di citizen science, più coinvolgenti per via della partecipazione attiva nel classificare o ispezionare dati. Ma altre proposte di calcolo distribuito videro comunque la luce, ottenendo importanti risultati, come Einstein@ home (2005) e MilkyWay@home (2011) che insieme a SETI@home sono ancora attivi sulla piattaforma Boinc (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing), dopo aver portato a importanti scoperte e alla pubblicazione di molti lavori scientifici.

MILKYWAY@HOME

MilkyWay@home si prefigge di generare modelli dinamici tridimensionali dei flussi stellari intorno alla Via Lattea e delle fusioni occorse nell’evoluzione della nostra Galassia. Praticamente è un progetto di “archeologia galattica”, con importanti ricadute nell’informatica, grazie alla ottimizzazione dell’Internet Computing. All’inizio il progetto si alimentava solo con i dati della Sloan Digital Sky Survey (Sdss), l’indagine a campo profondo in cinque bande di colori, che copre gran parte del cielo, eseguita a partire dal 2000 dal telescopio da 2,5 metri dell’Apache Point Observatory. Nel dicembre 2021 è stato rilasciato il diciassettesimo set di dati, che insieme a quelli originali include 25 cataloghi nuovi o aggiornati. Nella sua fase attuale la Sdss prosegue con le indagini Milky Way Mapper, Local Volume Mapper e Black Hole Mapper. Tutti i dati presenti nel database sono liberamente disponibili al pubblico. Grazie a una sovvenzione della

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» Una rappresentazione di alcuni flussi stellari che circondano la nostra Galassia, un ambiente dinamico in continua evoluzione.

National Science Foundation (Nsf), MilkyWay@home studia la storia della Via Lattea, analizzando le stelle nell’alone galattico e comprende ricerche sulla “materia oscura”. Che viene sondata grazie al comportamento dei flussi stellari prodotti dalla disgregazione di ammassi e galassie nane, cannibalizzati dalla Via Lattea durante la sua evoluzione. MilkyWay@home contribuisce anche a simulazioni numeriche in cui vengono prodotte galassie nane fittizie, che vengono portate a interagire con la Via Lattea. I risultati vengono poi abbinati ai dati reali per determinare le proprietà del potenziale gravitazionale della Via Lattea.

OBIETTIVI VISIBII E INVISIBILI

L’obiettivo primario di MilkyWay@ home è lo studio dell’alone galattico. Sin dal suo avvio, lo Sdss ha rivoluzionato la visione di questo ambiente. Prima degli anni 90 si pensava all’alone galattico come a una regione noiosa e poco interessante, ma la scoperta del Flusso stellare del Sagittario (Sagittarius Stream) ha mostrato che la Via Lattea è un ambiente fortemente dinamico e in continua evoluzione per via di ripetuti eventi di cattura e assorbimento di piccole galassie. Da allora il numero dei flussi stellari noti è cresciuto e oggi se ne contano migliaia. Gli astronomi sono molto interessati a

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» Mappa dei flussi stellari individuati dal satellite astrometrico Gaia. Precise misure di posizione e velocità delle singole stelle consentono di distinguere i flussi dalle stelle di alone.

ricercare e caratterizzare tali strutture e MilkyWay@home permette di aiutarli in un campo ancora giovane e in forte crescita. La materia oscura è la massa necessaria per compensare quella invisibile nelle osservazioni fisiche, come stabilì già Vera Rubin negli anni 70. Sebbene siano state proposte altre soluzioni a tali discrepanze, come modifiche alle teorie gravitazionali, la presenza di questa materia è l’unica soluzione che descrive simultaneamente tutte le anomalie osservate. A differenza della materia ordinaria, quella oscura non emette e non assorbe radiazioni elettromagnetiche: l’unica interazione che produce con la materia ordinaria è quella gravitazionale. Così, studiando la distribuzione della materia ordinaria nella Via Lattea, otteniamo anche informazioni sulla disposizione e la composizione della materia oscura. Gli astronomi cercano di misurare il potenziale gravitazionale della Via Lattea, cioè l’influenza che la gravità della Galassia produce su ammassi globulari e galassie nane satelliti che le orbitano intorno. Dal confronto tra il potenziale galattico e quello della materia visibile, si può determinare per differenza il potenziale della materia oscura, che ci informa quindi sulla sua distribuzione.

LO MAPPATURA

DEI FLUSSI STELLARI

Per questi scopi viene utile lo studio dei flussi stellari, grazie ai quali si possono determinare le orbite delle stelle e quindi individuare la distribuzione della materia oscura. Ma innanzitutto occorre individuare tutti questi flussi e mapparli. Non è un compito facile, perché queste strutture devono essere distinte dalle stelle appartenenti al disco galattico. È necessaria una complessa analisi matematica dei dati, che richiede un’enorme potenza di calcolo. Il lavoro consiste nel confrontare i dati con dei modelli computazionali, scomponendoli in piccole unità, ognuna delle quali rappresenta una valutazione del modello: questo confronto costituisce il compito di ogni singolo computer messo a disposizione dai volontari.

COME PARTECIPARE A MILKYWAY@HOME

Per diventare un cacciatore di materia oscura galattica basta eseguire una registrazione con password al sito milkyway.cs.rpi.edu/milkyway e seguire le istruzioni. Tutto il resto avviene in automatico: all’utente viene notificato quando il programma è in esecuzione con pieno controllo dell’impiego delle risorse. Come per altri progetti, è possibile interagire con i ricercatori e discutere con altri partecipanti. Sul sito è presente un’ampia sezione alle statistiche e può essere scaricato un certificato in base ai crediti acquisiti.

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LA STRUTTURA DELLA VIA LATTEA

La Via Lattea contiene quattro parti principali: il disco, il rigonfiamento, l’alone stellare e l’alone di materia oscura. Il sistema ha un diametro di circa 100mila anni luce, composto da circa 400 miliardi di stelle, più gas e polveri. Queste ultime sono in maggioranza concentrate nel cosiddetto “disco sottile”, spesso solo 1000 anni luce, situato al centro del disco (disc), dallo spessore di circa 3500 anni luce. Al centro del disco c’è il rigonfiamento (bulge) con un raggio di circa 10mila anni luce, che contiene stelle di tutte le età. Il bulge ospita una piccola barra e al centro esatto si trova il buco nero super-massiccio da 4,3 milioni di masse solari, di cui è stata recentemente ripresa l’”ombra” (vedi Cosmo n. 30). L’alone stellare (stellar halo) è uno sferoide di stelle che circonda l’intera Galassia, con densità inferiore al disco. L’alone “interno” si estende per circa 100mila anni luce, mentre quello “esteso” giunge sino a circa 500mila anni luce dal centro. Infine, c’è l’alone di materia oscura, la più misteriosa delle componenti galattiche: tutto sembra indicare la presenza di una grande quantità di massa invisibile e di natura sconosciuta che circonda la Galassia sino a più di un milione di anni luce.

Con questa procedura è stato già mappato per intero il Sagittarius Stream. Negli anni si sono aggiunti ai dati Sdss quelli provenienti da altre campagne osservative, come la Dark Energy Survey e il lavoro eseguito dal satellite astrometrico Gaia. Mettendo insieme tali dati, non solo è stato possibile scoprire un gran numero di flussi stellari, ma anche i fossili di antichi episodi di fusione. Tra gli ultimi successi di MilkyWay@ home, abbiamo la stima di massa del progenitore dello OrphanChenab Stream, un flusso scoperto nel 2006 mentre si studiavano le proprietà del Sagittarius Stream. Poiché non sembrava associato ad alcun progenitore, fu chiamato Orphan. Nel 2018 fu rilevata la metà meridionale che fu denominata Chenab, perciò adesso il flusso viene indicato come Orphan-Chenab. Dalle ricerche effettuate, si stima che oltre il 98 per cento della massa del flusso è composto da materia oscura, per un totale di circa 1 miliardo di masse solari. La maggior parte di questa massa risiede all’interno della coda del flusso, rendendolo così un candidato ideale per esperimenti di rilevamento indiretto della materia oscura. In definitiva, senza grandi sforzi ma solo mettendo a disposizione il nostro PC, con il calcolo distribuito possiamo fornire un importante servizio alla scienza in ricerche di punta e di forte impatto come la “archeologia galattica”.

» I flussi stellari individuati nell’emisfero settentrionale del cielo (sopra) e in quello meridionale (sotto) dalla Sloan Digital Sky Survey (cortesia Ana Bonaca).