Rappresentazione artistica del telescopio spaziale Gaia. Crediti: Esa
I ricercatori spesso si trovano davanti a un dilemma antico almeno quanto la scienza: meglio avere molti dati su pochi individui o pochi dati su molti individui? Parlando di astronomia: meglio conoscere ogni caratteristica d’un ristretto campione di stelle, o disporre di un piccolo insieme di dati per milioni, però, se non miliardi, di stelle? La scelta dipende ovviamente dagli obiettivi che ci si pone. Ma da quando abbiamo i big data – e soprattutto da quando siamo in grado di analizzarli – è una scelta sempre meno necessaria: talvolta possiamo avere tutto – o quasi.
Prendiamo le osservazioni a tutto cielo del satellite dell’Agenzia spaziale europea Gaia. La Early Data Release 3, resa pubblica a fine 2020, riporta i dati relativi a posizione e moto di circa un miliardo e mezzo di stelle della Via Lattea. Sei numeri per ciascuna stella: tre componenti che ne indicano la posizione e tre componenti che ne descrivono il moto. I sei numeri che occorrono per assolvere al compito primario per il quale il telescopio spaziale Esa è stato progettato: fare astrometria di precisione. In altre parole, disegnare la mappa più completa e accurata che mai sia stata compilata della nostra galassia. Pochi dati su molti individui, insomma.
Nel pannello in alto, infografica sul catalogo Early Data Release 3 in cifre. In basso a sinistra un dettaglio dei prismi dei due fotometri Bp e Rp. In basso a destra, in blu e rosso, le loro bande passanti. Crediti: Esa/Gaia/Dpac; Airbus Ds
Potendo osservare a più riprese l’intero cielo, però, in questi anni la missione Gaia – lanciata a fine 2013 – non si è limitata a raccogliere per ogni stella osservata quei sei numeretti. Già che c’era ha conservato molti altri dati, come si evince anche dall’infografica qui a fianco. Per esempio, la luminosità di ciascuna stella. Dunque quanti fotoni per unità di tempo. Un dato non più astrometrico bensì tipico della fotometria.
Ma c’è di più. Grazie a due prismi piazzati fra l’ultimo specchio e il piano focale, la luce in ingresso viene dispersa su due fotometri, Bp e Rp, sensibili rispettivamente alla componente più blu (onde di lunghezza compresa fra 330 e 680 nm) e a quella più rossa (fra 640 e 1050 nm). Fino a oggi questa ripartizione in due colori è stata usata prevalentemente a fini astrometrici: sapendo quanti fotoni vengono raccolti da ciascuno dei due fotometri è infatti possibile conoscere, oltre alla magnitudine complessiva di una stella, anche la magnitudine blu e la magnitudine rossa. Ora però gli astronomi di Gaia hanno iniziato a sfruttare anche l’informazione spettrale fornita da questi due fotometri, andando dunque a vedere come sono distribuiti i fotoni sulle varie lunghezze d’onda. Ed è così che un team guidato da Paolo Montegriffo dell’Inaf di Bologna, dopo un lungo lavoro di calibrazione degli spettri e di messa a punto di software ad hoc, è riuscito a usare i dati di Gaia per fare fotometria sintetica.
Mappa a tutto cielo prodotta da Gaia riproducendo sinteticamente il sistema fotometrico dello strumento NirCam di Jwst. Crediti immagine: Esa/Gaia/Dpac – Cc By-Sa 3.0 Igo. Ringraziamenti: R. Sordo, F. De Angeli, M. Riello
«La fotometria sintetica permette, partendo dagli spettri di una stella, di sintetizzare – appunto – quello che sarebbe stato l’esito della fotometria se avessimo osservato quella stella attraverso un filtro specifico. Magari di uno strumento che nemmeno esiste», spiega Montegriffo a Media Inaf.
Una fra le potenzialità della fotometria sintetica applicata ai big data è illustrata da questo diagramma colore-magnitudine, ottenuto direttamente dai dati di Gaia estraendo, appunto, i colori dagli spettri di milioni di stelle. Sono contrassegnati alcuni fra i passaggi fondamentali dell’evoluzione stellare. Crediti: Esa/Gaia/Dpac – Cc By-Sa 3.0 Igo. Ringraziamenti: M. Bellazzini
Un’operazione che si può compiere a posteriori, dunque. Un po’ come facciamo con i nostri smartphone quando applichiamo i filtri fotografici su immagini già in memoria per ottenere toni più freddi o più caldi. È esattamente quel che è stato fatto per la mappa a tutto cielo che vedete qui sopra, appena selezionata come Image of the Week dal team di Gaia: in questo caso è stato sintetizzato un colore derivato da due filtri presenti sulla fotocamera NirCam di Jwst, il James Webb Space Telescope. Immagine che rappresenta solo un assaggio di quel che verrà reso pubblico il prossimo 13 giugno, giorno della presentazione dell’attesissima Gaia Data Release 3 – questa volta senza più il prefisso early.
«Quell’immagine ci mostra come Jwst vedrebbe l’intero cielo con quei filtri se mai potesse farlo. Ma Jwst ha un campo di vista piccolissimo», sottolinea Montegriffo, «può fare puntamenti qua e là, ma non potrà mai misurare milioni di stelle come ha fatto Gaia. Nella prossima release verranno pubblicati gli spettri di 220 milioni di stelle. Una quantità di dati mostruosa. Ed è solo l’inizio».