Quale sarà la prossima finestra sul nostro universo?

I big data sono dappertutto, persino nei cieli. In un intervento istruttivo, l'astronomo Andrew Connolly mostra come si raccolgono grandi quantità di dati sull'universo, registrando i suoi costanti cambiamenti. Come fanno gli scienziati a catturare così tante immagini su scala? Tutto inizia con un enorme telescopio...

Nel 1781, un compositore,

tecnologo e astronomo inglese
di nome William Herschel

notò un corpo celeste nel cielo

che non si muoveva
come gli altri corpi celesti.

La constatazione di Herschel
che c'era qualcosa di diverso,

che non quadrava,

fu la scoperta di un pianeta,

il pianeta Urano,

un nome che ha divertito

innumerevoli generazioni di bambini,

ma un pianeta che da un momento all'altro

ha raddoppiato la dimensione

del sistema solare a noi noto.

Proprio il mese scorso, la NASA

ha annunciato la scoperta

di 517 nuovi pianeti

in orbita attorno alle stelle

vicine alla Terra,

che vanno quasi a raddoppiare

il numero dei pianeti

a noi noti nella nostra galassia.

Perciò l'astronomia subisce
costanti cambiamenti

a causa della capacità
di raccogliere dati,

con i dati che raddoppiano
quasi ogni anno,

entro due decenni,
potremmo persino

raggiungere il traguardo della scoperta

della maggior parte delle galassie
nell'universo

per la prima volta nella storia.

Entrando nell'era dei big data,

iniziamo a scoprire la differenza

tra più dati migliori

e più dati diversi,

in grado di cambiare le domande
che vogliamo porre,

e questa differenza non riguarda
la quantità di dati raccolti,

ma se quei dati aprono

nuovi orizzonti

sul nostro universo,

se cambieranno il modo
in cui vediamo il cielo.

Qual è la prossima finestra sull'universo?

Quale sarà il prossimo capitolo
per l'astronomia?

Vi mostrerò alcuni strumenti e tecnologie

che svilupperemo nei prossimi dieci anni

e come queste tecnologie,

assieme all'uso intelligente dei dati,

potranno trasformare l'astronomia di nuovo

aprendo una finestra sull'universo,

la finestra del tempo.

Perché il tempo?
Tempo vuol dire origini,

evoluzione.

Le origini

del nostro sistema solare,

com'è nato il nostro sistema solare,

è stato insolito o speciale
per qualche aspetto?

Veniamo all'evoluzione

del nostro universo.

Perché il nostro universo
è in continua espansione,

cos'è questa energia oscura misteriosa

che lo fa espandere?

Prima, vorrei mostrarvi
come la tecnologia

cambierà il modo in cui vediamo il cielo.

Immaginate di essere seduti

sulle montagne del Cile settentrionale

guardando verso ovest

in direzione dell'Oceano Pacifico

poche ore prima dell'alba.

Questa è la vista del cielo notturno
che vedreste,

ed è un panorama bellissimo,

con la Via Lattea che fa capolino

appena sopra la linea dell'orizzonte.

Ma è anche una visuale statica

e per molti aspetti è questo il modo

in cui pensiamo il nostro universo:

eterno e immutabile.

Ma l'universo è tutto tranne che statico.

Cambia costantemente
in un secondo,

che sono miliardi di anni.

Le galassie si fondono, si scontrano

a centinaia di migliaia
di chilometri all'ora.

Le stelle nascono, muoiono,

esplodono durante
questi fenomeni pazzeschi.

In realtà, se ritorniamo

ai nostri cieli tranquilli sopra il Cile,

e facciamo andare avanti il tempo

per vedere come potrebbe cambiare il cielo
l'anno prossimo,

le pulsazioni che vedete

sono le supernovae,
gli ultimi resti di una stella morente

che esplode, brilla e poi scompare
dalla nostra vista,

ogni singola supernova

brilla cinque miliardi di volte in più
rispetto al sole,

perciò sono visibili a lunghe distanze,

ma solo per un breve periodo di tempo.

Da qualche parte nel nostro universo

esplodono 10 supernovae

al secondo.

Se potessimo sentirle

il suono sarebbe simile allo scoppio
di un sacchetto di popcorn.

Ora, se "spegniamo" le supernovae,

non cambierà solo la luminosità.

Il nostro cielo si muove costantemente.

Questo sciame di punti
che vedete scorrere nel cielo

sono asteroidi che orbitano
attorno al sole,

e sono questi cambiamenti e il movimento

e la dinamicità del sistema

che ci permettono di costruire

i nostri modelli dell'universo,

di prevedere il suo futuro
e di spiegare il suo passato.

Ma i telescopi che abbiamo usato
nello scorso decennio

non erano progettati per catturare
i dati su questa scala.

Il telescopio spaziale Hubble:

negli ultimi 25 anni ha prodotto

alcune delle panoramiche
più dettagliate

del nostro universo distante,

ma se si tentava di usarlo

per creare un'immagine del cielo,

ci volevano 13 milioni
di immagini individuali,

circa 120 anni per farlo solo una volta.

Questo ci spinge verso nuove tecnologie

e nuovi telescopi,

telescopi che possono focalizzare

l'universo distante

ma anche telescopi
che possono estendersi

per catturare il cielo
il più rapidamente possibile,

telescopi come
il Large Synoptic Survey Telescope

o LSST,

forse il nome più noioso di sempre

per uno degli esperimenti più affascinanti

della storia dell'astronomia,

prova concreta,
come se ne aveste bisogno,

che non si dovrebbe mai permettere

a uno scienziato o a un ingegnere

di dare il nome a qualcosa,
nemmeno ai loro figli.

(Risate)

Stiamo costruendo l'LSST.

Prevediamo di iniziare a raccogliere dati

entro la fine di questo decennio.

Vi mostrerò come pensiamo

che trasformerà la nostra visione
dell'universo,

perché un'immagine dell'LSST

equivale a tremila immagini

del telescopio spaziale Hubble,

ogni immagine

di tre gradi e mezzo sul cielo,

sette volte l'ampiezza della luna piena.

Come si cattura un'immagine
su questa scala?

Si costruisce la fotocamera digitale
più grande della storia,

usando la stessa tecnologia

che si trova nelle fotocamere
dei vostri cellulari

o nelle fotocamere digitali
che comprate in centro,

ma con una scala che è di 1,7 metri
in orizzontale,

più o meno la lunghezza
di un Maggiolino Volkswagen,

dove un'immagine è composta
da tre miliardi di pixel.

Quindi se volete guardare

un'immagine

nella sua piena risoluzione,
solo una singola immagine LSST,

ci vorrebbero circa 1500 schermi tv

in HD.

Questa fotocamera creerà
un'immagine del cielo,

scattando una nuova fotografia
ogni 20 secondi,

scansionando il cielo costantemente

così che ogni tre notti
avremo una visione del tutto nuova

dei cieli sopra il Cile.

Oltre alla missione di una vita
di questo telescopio,

individuerà 40 miliardi

di astri e galassie,

e sarà la prima volta

che avremo individuato più corpi
nel nostro universo

di quante siano le persone sulla Terra.

Ora, possiamo parlarne

in termini di terabyte e petabyte

e miliardi di corpi celesti,

ma un modo

per capire la quantità di dati

che otterremo
da questa fotocamera

è paragonarla alla riproduzione simultanea
di ogni TED Talk mai registrato,

24 ore al giorno,

sette giorni alla settimana,
per 10 anni.

Ed elaborare questi dati significa

passare in rassegna tutti quei talk

per ogni idea nuova
e ogni concetto nuovo,

guardando ogni parte del video

per vedere come un'inquadratura

possa essere diversa

da quella successiva.

Questo cambia il modo di lavorare
degli scienziati,

cambia il modo di lavorare
degli astronomi

arrivando al punto dove i software
e gli algoritmi

devono scavare in questi dati,

dove i software sono tanto cruciali
per la scienza

quanto lo sono i telescopi
e le fotocamere

che abbiamo costruito.

Faremo migliaia di scoperte
grazie a questo progetto,

ma io vi parlerò solo

di due idee sulle origini e l'evoluzione

che potrebbero subire cambiamenti

a causa dell'accesso

ai dati su questa scala.

Negli ultimi 5 anni, la NASA ha scoperto

più di mille sistemi planetari

attorno ai corpi celesti vicini
alla Terra,

ma i sistemi che stiamo trovando

non assomigliano molto
al nostro sistema solare,

e una delle domande

che affrontiamo è:

non abbiamo guardato
abbastanza attentamente

o c'è qualcosa di speciale

o di insolito nelle origini
del nostro sistema solare?

Se vogliamo rispondere a questa domanda,

dobbiamo conoscere e capire

la storia del nostro sistema solare
nel dettaglio,

e sono i dettagli a essere cruciali.

Ora, se torniamo a guardare il cielo,

i nostri asteroidi che scorrevano
nel cielo,

questi asteroidi sono come i detriti
del nostro sistema solare.

Le posizioni degli asteroidi

sono come le impronte digitali

di un'era passata

quando le orbite di Nettuno e di Giove

erano molto più vicine al Sole,

e quando questi pianeti enormi

si sono spostati
nel nostro sistema solare,

si sono lasciati alle spalle
una scia di asteroidi.

Studiare gli asteroidi

è come fare indagini scientifiche,

indagare
sul nostro sistema solare,

ma per fare questo, serve distanza,

e la distanza si ottiene dal movimento,

e il movimento si ottiene
dall'accesso al tempo.

Perciò cosa significa tutto questo?

Se guardate i piccoli asteroidi gialli

che schizzano sullo schermo,

questi sono gli asteroidi

che si muovono più velocemente,

perché sono più vicini a noi,

più vicini alla Terra.

Questi sono gli asteroidi

su cui un giorno potremmo spedire

delle astronavi,
per trovare minerali,

ma sono anche gli stessi asteroidi

che un giorno
potrebbero cadere sulla Terra,

come accadde 60 milioni di anni fa
con l'estinzione dei dinosauri,

o all'inizio del secolo scorso,

quando un asteroide

spazzò via quasi

2600 chilometri quadrati
della foresta siberiana,

o l'anno scorso, quando un asteroide
ha colpito la Russia,

rilasciando l'energia
di una piccola bomba nucleare.

Studiare l'aspetto scientifico
del nostro sistema solare

non solo ci informa sul passato,

ma può anche prevedere il futuro,
compreso il nostro.

Quando ci allontaniamo,

possiamo vedere gli asteroidi
nel loro habitat naturale,

in orbita attorno al sole.

Ogni punto di quest'immagine
che potete ammirare

è un vero asteroide.

La sua orbita è stata calcolata
dal suo movimento nel cielo.

I colori riflettono la composizione
di questi asteroidi,

secchi e rocciosi al centro,

ricchi di acqua e primitivi versi i bordi,

gli asteroidi ricchi di acqua
che forse hanno seminato

gli oceani e i mari che si trovano
sul nostro pianeta

quando bombardarono la Terra
miliardi di anni fa.

Dato che l'LSST sarà in grado
di focalizzare la visuale

e non solo di ampliarla,

saremo in grado di vedere
questi asteroidi

ben oltre la parte centrale
del nostro sistema solare,

fino agli asteroidi oltre le orbite
di Nettuno e di Marte,

fino a comete e asteroidi che esistono

quasi a un anno luce
di distanza dal sole.

Aumentando i dettagli di quest'immagine,

aumentando il dettaglio
per fattori da 10 a 100,

saremo in grado di rispondere
a domande come:

ci sono prove dell'esistenza di pianeti
fuori dall'orbita di Nettuno,

per trovare asteroidi
che colpiranno la Terra

prima che costituiscano un pericolo,

e forse scoprire se

il nostro sole si è formato da solo
o mediante un gruppo di stelle

e forse sono i corpi celesti simili
al sole

che hanno influenzato la formazione
del nostro sistema solare,

e forse è questa una delle ragioni
per cui i sistemi solari

come il nostro sembrano essere così rari.

Distanza e cambiamenti
nel nostro universo.

La distanza è uguale al tempo,

così come i cambiamenti del cielo.

A ogni metro di distanza dove guardate,

o ogni mezzo metro di distanza

dove si trova un corpo,

guardate indietro circa un miliardesimo

di secondo nel tempo,

Quest'idea o questa nozione

del guardarsi indietro nel tempo.

ha rivoluzionato le nostre idee
sull'universo,

non una ma più volte.

La prima volta fu nel 1929,

quando un astronomo
di nome Edwin Hubble

mostrò che l'universo
era in espansione,

spingendosi verso la teoria del Big Bang.

Le osservazioni erano semplici:

solo 24 galassie

e un disegno fatto a mano.

Solo l'idea
che più una galassia era distante

e più velocemente recedeva,

fu sufficiente per dare vita
alla cosmologia moderna.

Una seconda rivoluzione
accadde 70 anni dopo,

quando due gruppi di astronomi mostrarono

che l'universo non solo era in espansione,

ma stava anche accelerando,

una sorpresa
come lanciare una palla in aria

e scoprire che più va in alto,

più si allontana velocemente.

Lo dimostrarono

misurando la luminosità delle supernovae

e come la luminosità delle supernovae

si affievoliva man mano

che la distanza aumentava.

Queste osservazioni
erano più complesse.

Richiedevano nuove tecnologie
e nuovi telescopi,

perché le supernovae
si trovavano in galassie

che erano 2 mila volte più distanti

di quelle usate da Hubble.

Ci vollero tre anni
per trovare solo 42 supernovae

perché una supernova esplode solo

una volta ogni 100 anni in una galassia.

Tre anni per trovare 42 supernovae

cercando tra decine di migliaia
di galassie.

Una volta raccolti i dati,

ecco ciò che trovarono.

Questo non vi sembrerà strabiliante,

ma è così che appare
una rivoluzione in fisica:

una linea che prevede la luminosità
di una supernova

a 11 miliardi di anni luce di distanza

e una manciata di punti
che non ci stanno su quella linea.

Piccoli cambiamenti che comportano
grandi conseguenze.

Piccoli cambiamenti che ci permettono
di fare scoperte,

come il pianeta scoperto da Herschel.

Piccoli cambiamenti che sconvolgono

la nostra concezione dell'universo.

42 supernovae, leggermente fievoli,

cioè molto lontane,

a implicare che non solo l'universo
doveva essere in espansione,

ma anche che l'espansione
stava accelerando,

rivelando una componente

del nostro universo

che ora chiamiamo energia oscura,

una componente
che spinge quest'espansione

e costituisce il 68 per cento
di tutta l'energia

dell'universo, oggi.

Come sarà la prossima rivoluzione?

Cos'è l'energia oscura
e perché esiste?

Ognuna di queste linee mostra
un modello diverso

di quello che potrebbe essere
l'energia oscura,

mostrandone le proprietà.

Tutte consistono di 42 punti,

ma le idee dietro a queste linee

sono drasticamente differenti.

Alcune persone pensano
che l'energia oscura

cambi col tempo

o che le proprietà dell'energia oscura

sono diverse a seconda
di dove si guarda il cielo.

Altri fanno differenze e cambiamenti

alla fisica a livello subatomico.

Oppure guardano su grande scala

e cambiano come funzionano la gravità
e la relatività generale

o dicono che il nostro universo
è solo uno fra tanti,

fa parte di un multiuniverso misterioso,

ma tutte queste idee,
tutte queste teorie,

sono straordinarie e alcune certo
un po' strambe,

ma tutte sono formate da 42 punti.

Come possiamo sperare di trarre

qualcosa di sensato da tutto questo
nei prossimi 10 anni?

Immaginate che io vi dia due dadi

e voi voleste vedere se quei dadi

siano truccati oppure no.

Tirarli una volta vi svelerebbe poco,

ma più volte li tirate,

più dati raccogliete,

più diventate sicuri di voi,

non solo sul fatto
che siano truccati o meno,

ma anche di quanto e in che modo.

Ci sono voluti tre anni
per trovare 42 supernovae

perché i telescopi che costruivamo

potevano analizzare solo
una piccola porzione del cielo.

Con l'LSST abbiamo una visione
del tutto nuova

sui cieli sopra il Cile ogni tre notti.

Nella sua prima notte in operazione,

troverà 10 volte il numero di supernovae

usate nella scoperta dell'energia oscura.

Aumenterà di migliaia

entro i primi quattro mesi:

1,5 milioni di supernovae
entro la fine della sua ricerca,

ogni supernova un tiro di dadi,

ogni supernova che dimostrerà quali teorie
sull'energia oscura

sono coerenti e quali non lo sono.

Così, combinando questi dati
sulle supernovae

con altre unità di misura cosmologiche,

escluderemo progressivamente le idee

e le teorie sull'energia oscura

fino a quando, speriamo alla fine
di questa ricerca nel 2030,

prevediamo di avere una teoria

per il nostro universo,

una teoria fondamentale per la fisica
del nostro universo,

che emergerà gradualmente.

Per molti versi, le domande
che ho posto

sono in realtà le domande più semplici.

Potremmo anche non sapere le risposte,

ma almeno sappiamo come porre le domande.

Se guardare decine di migliaia
di galassie

ha rivelato 42 supernovae
che hanno sconvolto

del tutto la nostra concezione
dell'universo,

lavorando con miliardi di galassie,

quante volte troveremo

42 punti che non combaciano
con le nostre aspettative?

Come il pianeta scoperto da Herschel

o l'energia oscura

o la meccanica quantistica
o la relatività generale,

tutte idee derivanti da dati

che non combaciavano
con le nostre aspettative.

La cosa emozionante
del prossimo decennio di dati

in astronomia è che

non sappiamo neanche quante risposte

sono là fuori che ci aspettano,

risposte sulle nostre origini
e sulla nostra evoluzione.

Quante risposte ci sono là fuori

e quante domande
che non sapevamo neanche di voler fare?

Grazie.

(Applausi)