domenica 10 marzo 2024
Buchi neri: l’IA rivela come crescono. - Arianna Guastella
Un nuovo studio, che utilizza l’apprendimento automatico, ha rivelato che la crescita dei buchi neri supermassicci nelle galassie richiede gas freddo oltre alle fusioni, sfidando le ipotesi precedenti e migliorando la nostra comprensione dell’evoluzione delle galassie.
I buchi neri supermassicci: giganti dormienti che si risvegliano.
Quando sono attivi, i buchi neri supermassicci svolgono un ruolo cruciale nel modo in cui si evolvono le galassie. Fino ad ora, si è pensato che la crescita fosse innescata dalla violenta collisione di due galassie seguita dalla loro fusione, tuttavia, una nuova ricerca condotta dall’Università di Bath ha suggerito che le fusioni tra galassie da sole non sono sufficienti ad alimentare un buco nero. Per spiegare la crescita di essi, è necessario un secondo ingrediente: un serbatoio di gas freddo a livello planetario situato al centro della galassia ospite.
Il nuovo studio, pubblicato sulla rivista Monthly Notice della Royal Astronomical Society, è stato il primo a utilizzare l’apprendimento automatico per classificare le fusioni galattiche con l’obiettivo specifico di esplorare la relazione tra le stesse, l’accrescimento di buchi neri supermassicci e la formazione stellare. Finora le fusioni sono state classificate (spesso erroneamente) esclusivamente attraverso l’osservazione umana.
Mathilda Avirett-Mackenzie, dottoranda presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Los Angeles Università di Bath e prima autrice del documento di ricerca, ha dichiarato: “Quando gli esseri umani cercano fusioni tra galassie, non sempre sanno cosa stanno guardando e usano molta intuizione per decidere se è avvenuta davvero. Addestrando una macchina a classificarle, si ottiene una lettura molto più veritiera di ciò che stanno effettivamente facendo le galassie”.
La ricerca è frutto di una collaborazione tra i partner di BiD4BEST (Big Data Applications for Black Hole Evolution Studies), la cui rete innovativa fornisce formazione di dottorato sulla formazione dei buchi neri supermassicci.
I buchi neri supermassicci sono una componente fondamentale delle galassie (per dare un senso di scala, la Via Lattea, con circa 200 miliardi di stelle, è solo una galassia di medie dimensioni), al centro di essa si trova un buco nero chiamato Sagittarius A*, che ha una massa di circa 4 milioni di volte quella del Sole.
Per gran parte della loro esistenza, i buchi neri supermassicci sono quiescenti, rimangono in uno stato di calma, con la materia che orbita intorno, e hanno un impatto minimo sulla galassia nel suo complesso. Tuttavia, per brevi periodi della loro esistenza (brevi solo in termini astronomici, con una durata di milioni o centinaia di milioni di anni), essi sfruttano la loro forza gravitazionale per attirare grandi quantità di gas verso di sé. Questo fenomeno, noto come accrescimento, genera un disco luminoso talmente intenso da poter eclissare l’intera galassia.
Sono queste brevi fasi di attività ad essere più importanti per l’evoluzione delle galassie, poiché le enormi quantità di energia rilasciata attraverso l’accrescimento possono influenzare il modo in cui le stelle si formano nelle stesse. Per una buona ragione, quindi, stabilire cosa provoca il movimento di una galassia tra i suoi due stati – quiescente e formazione stellare – è una delle più grandi sfide dell’astrofisica.
Buchi neri, ispezione umana vs Machine Learning.
Per decenni, i modelli teorici hanno suggerito che i buchi neri crescono quando le galassie si fondono. Tuttavia, gli astrofisici che studiano da molti anni la connessione tra fusioni di galassie e crescita dei buchi neri hanno sfidato questi modelli con una semplice domanda: come possiamo identificare in modo affidabile le fusioni di galassie?
L’ispezione visiva è stato il metodo più comunemente utilizzato. I classificatori umani – esperti o membri del pubblico – hanno osservato le galassie e hanno identificato elevate asimmetrie o lunghe code di marea (regioni sottili e allungate di stelle e gas interstellare che si estendono nello spazio), entrambe associate alle fusioni delle stesse. Tuttavia, questo metodo di osservazione è dispendioso in termini di tempo e inaffidabile, poiché è facile per gli esseri umani commettere errori nelle loro classificazioni. Di conseguenza, gli studi sulle fusioni spesso forniscono risultati contraddittori.
Nel nuovo studio condotto da Bath, i ricercatori si sono posti la sfida di migliorare il modo in cui vengono classificate le fusioni studiando la connessione tra la crescita dei buchi neri e l’evoluzione delle galassie attraverso l’uso dell’intelligenza artificiale.
L’IA illumina i segreti dei buchi neri.
Gli scienziati hanno addestrato una rete neurale su fusioni di galassie simulate, quindi hanno applicato questo modello a quelle finora osservate nel cosmo.
In questo modo, sono stati in grado di identificare le fusioni senza pregiudizi umani e studiare la connessione tra fusioni di galassie e crescita dei buchi neri. Hanno anche dimostrato che la rete neurale supera i classificatori umani nell’identificarle.
Applicando questa nuova metodologia, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che le fusioni non sono fortemente associate alla crescita dei buchi neri. Le firme delle stesse sono ugualmente comuni nelle galassie con e senza buchi neri supermassicci in accrescimento.
Utilizzando un campione estremamente ampio di circa 8.000 sistemi di buchi neri in accrescimento – che ha permesso al team di studiare la questione in modo molto più dettagliato – si è scoperto che le fusioni portano alla crescita dei buchi neri solo in un tipo molto specifico di galassie, ovvero quelle contenenti quantità significative di gas freddo.
Questo ha dimostrato che le fusioni tra galassie da sole non sono sufficienti ad alimentare i buchi neri: devono essere presenti anche grandi quantità di gas freddo per consentire al buco nero di crescere.
Avirett-Mackenzie ha affermato: “Affinché le galassie possano formare stelle, devono contenere nubi di gas freddo in grado di collassare in stelle. Processi altamente energetici come l’accrescimento di un buco nero supermassiccio riscaldano questo gas, rendendolo troppo energetico per collassare o espellendolo fuori dalla galassia”.
La dottoressa Carolin Villforth, docente senior presso il Dipartimento di Fisica e supervisore della signora Avirett-Mackenzie a Bath, ha concluso: “Fino ad ora le fusioni sono state studiate allo stesso modo, attraverso la classificazione visiva. Con questo metodo, utilizzando classificatori esperti in grado di individuare caratteristiche più sottili, siamo riusciti a osservare solo un paio di centinaia di galassie, non di più. L’utilizzo dell’apprendimento automatico ha aperto un campo completamente nuovo e molto entusiasmante in cui è possibile analizzare migliaia di galassie alla volta”.
Sta per esplodere una stella (una nova) a 3mila anni luce dalla Terra e sarà visibile a occhio nudo! - Valerio Novara
Gli scienziati prevedono che un nuovo sistema stellare, a 3.000 anni luce dalla Terra, diventerà presto visibile a occhio nudo. Ecco perché
Si prevede che un sistema stellare situato a 3.000 anni luce dalla Terra, diventerà presto visibile ad occhio nudo. Questa potrebbe essere un’opportunità irripetibile poiché l’esplosione della nova si verifica solo ogni 80 anni circa. T Coronae Borealis, o T CrB, è esplosa l’ultima volta nel 1946 e gli astronomi ritengono che lo farà di nuovo tra febbraio e settembre 2024.
Sarà visibile a occhio nudo?
Il sistema stellare, normalmente di magnitudine +10, che è troppo debole per essere visto ad occhio nudo, passerà alla magnitudine +2 durante l’evento. Questa avrà una luminosità simile a quella della stella polare, Polaris. Una volta che la sua luminosità raggiungerà il picco, dovrebbe essere visibile ad occhio nudo per diversi giorni e poco più di una settimana con un binocolo, prima che si affievolisca nuovamente, forse per altri 80 anni. Mentre aspettiamo la nova, parliamo un po’ della costellazione della Corona Boreale, o Corona Settentrionale, un piccolo arco semicircolare vicino a Boote ed Ercole. È qui che l’esplosione apparirà come una “nuova” stella luminosa.
La Nova della Corona Settentrionale.
Questa nova è solo una delle cinque presenti nella nostra galassia. Ciò accade perché T CrB è un sistema binario con una nana bianca e una gigante rossa. Le stelle sono abbastanza vicine che quando la gigante rossa diventa instabile a causa dell’aumento di temperatura e pressione e inizia a espellere i suoi strati più esterni, mentre la nana bianca raccoglie quella materia sulla sua superficie. L’atmosfera bassa e densa della nana bianca alla fine si riscalda abbastanza da provocare una reazione termonucleare fuori controllo, che produrrà la nova che vedremo dalla Terra.
Perché la luce subisce la gravità?
Perché la luce subisce la gravità e curva in sua presenza, se non ha massa?
Come spiego' Einstein nel divulgare le basi della relativita' generale... la risposta è semplice e richiede due affermazioni.
1) Perché la sua velocità non è infinita.
2) Perché la massa inerziale equivale alla massa gravitazionale.
E adesso la prima domanda che vi dovrebbe venire in mente immagino che sia:
"Che c'entra adesso la massa, se parliamo della luce, che di massa non ne ha? E soprattutto da quando le masse sono di due tipi?"
Ve lo spiego con due esempi.
Caso 1)
Immaginate di essere in un ascensore, mentre sta salendo.
Improvvisamente il cavo si spezza e voi precipitate.
Al di là del dramma, durante la caduta voi state galleggiando all'interno della cabina, e ogni cosa galleggia con voi.
Rispetto a ciò che vi circonda vi sembrerà di non essere più sotto l'effetto della gravità terrestre.
Questo solo perché la cabina precipita accelerando esattamente come voi a circa 9,8 m/sec2.
Ed ecco perché non è corretto dire che gli astronauti che galleggiano nello spazio sono in assenza di gravità, ma si dice invece che sono in caduta libera.
Quindi, se paradossalmente vi risvegliaste senza memoria all'interno di un ascensore in caduta libera, non sapreste dire se vi trovate nello spazio o sulla Terra (finché non vi schiantate al suolo, ovviamente...)
Caso 2)
Immaginate di essere viceversa in un astronave nello spazio, a galleggiare liberamente.
All'improvviso il pilota accende i motori e l'astronave parte con un accelerazione di 9,8 m/sec2.
A causa dell'inerzia, voi verreste spinti sulla parete opposta con la stessa accelerazione.
A quel punto potreste mettervi in piedi (su quella parete) e fare tutto quel che fate sulla terra perché avreste lo stesso peso.
Quindi, se paradossalmente vi risvegliaste senza memoria all'interno di astronave in accelerazione, non sapreste dire se vi trovate nello spazio o sulla Terra.
E a questo punto permettetemi una licenza: la Relatività Generale non la si deve ad Einstein ma a chi ha inventato gli ascensori!
I due casi precedenti sono utili a farci capire che di fatto per noi non c'è alcuna differenza tra l'accelerazione dovuta all'inerzia e quella dovuta alla gravità. Non siamo in grado di distinguerle in alcun modo. (Per favore, adesso non rispondetemi che le distinguiamo perché l'astronave è arredata in modo diverso da un ascensore, ok?)
E questo se ci pensate bene è strano. Molto strano.
Perché anche se la massa inerziale e quella gravitazionale sono grandezze omogenee e dunque hanno la stessa dimensione, di fatto sono concetti molto diversi.
La prima descrive la caratteristica dei corpi di opporsi al cambiamento del loro stato di moto: se il pilota accende i razzi dell'astronave tu vieni schiacciato sulla parete opposta perché la massa di cui sei fatto è "pigra" e vorrebbe continuare a fare quel che stava facendo prima (in questo caso specifico, niente).
La seconda invece descrive la capacità di attirare a sé altri corpi: questa è tutta un'altra cosa. Altroché pigrizia: questo suona come un superpotere, una cosa in stile "Magneto" degli X-Men, che di pigro non ha proprio nulla.
Una volta appurata questa "stranezza", cioè il fatto che possiamo considerare equivalenti la massa inerziale e quella gravitazionale, la cosa si fa interessante.
Immaginate di essere in quell'astronave spinta a 9.8 m/sec2. E voi che camminate tranquillamente sul fondo.
Avete una finestrella sottile sottile sulla parete alla vostra destra, diciamo posta a due metri da terra.
E all'improvviso da lì entra un raggio di luce (per semplicità diciamo un raggio laser).
Lui se ne stava andando per la sua strada, dritto dritto, ma finendo nella finestrella attraversa la stanza in cui vi trovate e finisce la sua corsa sulla parete opposta dell'astronave, dunque alla vostra sinistra, dove voi vedrete così un puntino luminoso.
La domanda fondamentale adesso è: a che altezza vedrete apparire quel puntino?
Se foste fermi ovviamente lo vedreste alla stessa altezza, cioé a due metri.
Ma voi vi state muovendo verso l'alto (rispetto al vostro punto di vista), e la luce come dicevamo all'inizio non ha una velocità infinita: quindi, per quanto poco, ci metterà del tempo per andare dalla parete di destra a quella di sinistra, e in quel tempo la vostra astronave si sarà spostata un pochino verso l'alto.
Dunque vedrete il puntino luminoso apparire un po' più in basso, rispetto ai due metri.
Ma non è la luce ad essersi abbassata, siete voi che nel frattempo siete saliti. Proprio come in un ascensore (ricordate l'equivalenza di prima?).
Attenti che non è finita, adesso anzi viene il bello.
Voi non vi state muovendo a velocità costante: voi siete sottoposti ad accelerazione, per via dei razzi accesi: cioé state accelerando a 9.8m/sec2.
Se foste stati in movimento a velocità costante, la traiettoria della luce, dalla parete di destra a quella di sinistra, sarebbe stata una retta inclinata verso il basso, per quanto abbiamo detto sopra.
Ma dato che voi accelerate, nel mentre che la luce attraversa la stanza in cui vi trovate, a ogni istante di tempo che passa, essa non scenderà verso il basso di un intervallo costante di spazio, ma scenderà anzi di un intervallo sempre crescente.
E se poteste vedere la traiettoria di quel raggio di luce come vi apparirebbe?
Semplice: sarebbe una curva.
Vedreste la luce curvare verso il basso.
Attenzione che questo è importante: come detto sopra, vale il principio che il raggio di luce in realtà non sta curvando.
Siete voi che state accelerando nella direzione perpendicolare al suo moto: e questo ve lo fa apparire curvo.
Ed ecco il gran finale.
In principio abbiamo detto che per noi non c'era differenza tra massa inerziale e gravitazionale.
Dunque per noi essere su un astronave sottoposta ad accelerazione di 9.8m/sec2 è esattamente come essere in piedi sul pianeta Terra.
Ed ecco dunque spiegato perché la luce curva in presenza di un campo gravitazionale.
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Niccolo' Gennari.