Dischi di detriti planetari scoperti con scienziati cittadini e realtà virtuale

Gli astronomi hanno molti strumenti per studiare il cosmo: telescopi, satelliti, veicoli spaziali interplanetari e altro ancora. Anche l’umile occhio umano è una parte fondamentale di questo toolkit, poiché può spesso individuare schemi o aberrazioni che gli algoritmi non rilevano. E il potere di scrutinio della nostra visione è stato recentemente rafforzato dalla realtà virtuale (VR) e da migliaia di occhi che lavorano in tandem grazie al potere di crowdsourcing di Internet.

I ricercatori del Goddard Space Flight Center della NASA hanno recentemente annunciato la scoperta di 10 stelle circondate da dischi di detriti polverosi: masse vorticose di gas, polvere e roccia lasciate dalle prime fasi della formazione del pianeta. Questo risultato, reso possibile dalla realtà virtuale e con l’aiuto di citizen scientist, è stato recentemente pubblicato nel Giornale astrofisico. I risultati potrebbero aiutare gli astronomi a ricostruire una linea temporale di come sono costruiti i sistemi planetari.

I dischi di detriti comprendono varie fasi della formazione dei pianeti, comprese le ere giovanili in cui i mondi sono ancora incorporati nei detriti dei processi disordinati e caotici della loro nascita. Sebbene gli astronomi siano riusciti a vederne alcuni direttamente, la maggior parte di questi giovani pianeti è fuori dalla portata degli attuali telescopi. La realizzazione di un sistema planetario richiede milioni di anni, quindi ogni disco di detriti che gli osservatori vedono è solo una breve istantanea di un momento della vita di quel sistema. Per scoprire l’intera storia, gli astronomi cercano molti sistemi planetari avvolti da dischi in diverse fasi dell’evoluzione, raccogliendo più istantanee da mettere insieme in una linea temporale.

Per cercare dischi di detriti, gli osservatori di solito iniziano cercando stelle che appaiono particolarmente luminose nell’infrarosso; quella luminosità anormale deriva tipicamente da un eccesso di polvere riscaldata dalla luce delle stelle in un disco attorno a una stella. Il telescopio a infrarossi della NASA WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) ha rilevato l’intero cielo, creando quello che per alcuni aspetti è il catalogo più completo di misurazioni dell’infrarosso stellare. Con decine di migliaia di punti dati da analizzare e molti dischi di detriti probabilmente nascosti all’interno del catalogo WISE, cosa deve fare uno scienziato?

“È un ottimo esempio di come gran parte dell’astronomia moderna comporti la ricerca di enormi set di dati per il proverbiale ago nel pagliaio”, afferma Meredith Hughes, un’astronoma della Wesleyan University, che non è stata coinvolta nello studio. “Anche con gli algoritmi di apprendimento automatico, è ancora difficile addestrare i computer a svolgere questo complesso lavoro di identificazione di schemi rumorosi e notare sottili deviazioni dalle aspettative, ed è qui che entra in gioco la forza cerebrale collettiva della scienza dei cittadini”.

Un progetto chiamato Disk Detective ha addestrato scienziati cittadini, persone normali che vogliono aiutare nella ricerca nel loro tempo libero, a guardare le immagini WISE e confrontarle con quelle di altri sondaggi astronomici, come lo SkyMapper Southern Sky Survey, il Pan-STARRS survey e il Two Micron All Sky Survey (2MASS), con l’obiettivo di confermare la presenza di dischi attorno a ciascuna stella candidata. Dall’inizio del progetto nel 2014, gli scienziati cittadini hanno trovato più di 40.000 dischi, ovvero 40.000 istantanee della storia di come si formano i pianeti.

Per metterli in una linea del tempo, però, gli astronomi devono capire a quale appartiene ogni istantanea. In altre parole, gli scienziati devono conoscere l’età di ogni stella e del suo disco di detriti. “Quando conosciamo l’età di stelle e pianeti, possiamo metterli in una sequenza, dal bambino all’adolescente all’adulto, se lo desideri”, afferma Marc Kuchner, astrofisico della NASA e coautore del nuovo studio. “Questo ci permette di capire come si formano ed evolvono”.

Determinare l’età di una stella con una precisione sostanziale è un problema notoriamente complicato in astronomia. Una soluzione è abbinare una stella ai suoi fratelli, in un’associazione nota come gruppo in movimento. Le stelle spesso si formano in ammassi da una gigantesca nuvola di gas, ma molte di queste famiglie stellari un tempo vicine si allontanano mentre invecchiano, i loro singoli membri si diffondono attraverso la Via Lattea. Misurando attentamente la posizione e la velocità delle stelle, i ricercatori possono determinare quali stelle mostrano i movimenti rivelatori che, tracciati all’indietro, rivelano che sono nate collettivamente nello stesso momento e nello stesso luogo. Una volta che gli astronomi sanno che le stelle di un gruppo sono imparentate, è semplice calcolare la loro età in base alla conoscenza consolidata di come le stelle crescono e si evolvono.

Trovare nuovi membri del gruppo in movimento non è facile. Per fare ciò, gli astronomi tradizionalmente si affidano all’analisi di elenchi preesistenti di stelle di gruppi mobili, segnalando potenziali nuovi membri tramite sofisticati modelli matematici. Il team dietro il nuovo progetto voleva provare qualcosa di diverso e più viscerale: ha utilizzato un programma VR per ingrandire le stelle e ottenere una prospettiva tridimensionale più chiara su come si muovono le cose.

“Pensavo di risparmiare [NASA’s VR scientists] via quando ho detto che volevo visualizzare le posizioni e le velocità di quattro milioni di stelle”, dice Kuchner. “Ma non hanno battuto ciglio!” Per creare questa cornucopia stellare virtuale, il team ha utilizzato i dati di Gaia, un satellite dell’Agenzia spaziale europea che fornisce le migliori misurazioni disponibili per le posizioni e le velocità delle stelle nella nostra galassia. La simulazione VR risultante è servita anche come una sorta di macchina del tempo: sapere quanto velocemente e in quale direzione si stava muovendo una stella ha permesso a Kuchner e colleghi di tracciare il suo movimento avanti e indietro nel tempo.

Mentre prestava servizio come ricercatrice in visita alla NASA, l’autrice principale dello studio Susan Higashio ha indossato un visore VR per volare intorno ai milioni di stelle della simulazione. Ha esaminato dove si trovavano le stelle con i dischi in relazione ai gruppi in movimento noti ed ha estrapolato i movimenti delle stelle avanti e indietro nel tempo per testare le loro potenziali associazioni. “È stato così eccitante quando i quattro milioni di stelle sono apparsi in VR, ma è stato un po’ stordito quando hanno iniziato a girare intorno a me”, ricorda. “Era un modo davvero divertente e interattivo per condurre la scienza.”

Higashio ha rintracciato 10 dei dischi di detriti di Disk Detective fino alle loro famiglie di gruppi in movimento. Il team ha quindi trovato l’età stimata di questi dischi, che variava da 18 milioni a 133 milioni di anni. Erano tutti estremamente giovani, rispetto al nostro sistema solare domestico, che ha circa 4,5 miliardi di anni. I ricercatori hanno anche identificato un gruppo in movimento completamente nuovo chiamato Smethells 165, dopo la sua stella più brillante. “Ogni volta che troviamo un nuovo gruppo in movimento, si tratta di un nuovo gruppo di stelle di cui conosciamo l’età più precisamente”, spiega Kuchner.

Gli astronomi hanno anche trovato uno strano ed estremo disco di detriti attorno a una stella soprannominata J0925 che non si adatta perfettamente alla loro prevista linea temporale di formazione del pianeta. È molto più luminoso nell’infrarosso, il che significa che ha più polvere del previsto per una stella della sua età. Man mano che i dischi di detriti invecchiano, parte della loro polvere si avvolge a spirale nella stella o viene spazzata via dai venti stellari. J0925, tuttavia, sembra aver appena ricevuto una nuova consegna di polvere calda, probabilmente da una recente collisione tra due protopianeti. Hughes evidenzia questa stella come l’oggetto più interessante scoperto nello studio. “I dischi di detriti estremi sono ancora un po’ misteriosi, ma probabilmente sono simili a come sarebbe stato il nostro sistema solare durante il gigantesco impatto che ha formato la luna terrestre”.

Il lavoro di Citizen Science di Disk Detective è ancora in corso, ora aggiornato per utilizzare il batch di dati più recente di Gaia. Il team spera di identificare ancora più membri di gruppi in movimento e nuovi dischi con il loro metodo VR unico. Lisa Stiller, una delle tante coautori dello studio, offre incoraggiamento ai potenziali volontari. “Non esitate a dare una mano in un progetto di scienza dei cittadini”, dice. “Il tuo aiuto sarà necessario in qualsiasi forma tu scelga o per la quantità di tempo che scegli di dedicarti.”

Chiunque abbia una connessione a Internet può comunque partecipare al progetto Disk Detective, non è necessaria alcuna esperienza. “Più di 30.000 scienziati cittadini hanno contribuito”, afferma Kuchner. “I Disk Detective stanno ancora lavorando su milioni di migliaia di immagini WISE: abbiamo ancora bisogno del tuo aiuto.”

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