Lenti gravitazionali, intelligenza artificiale e materia oscura

La gravità degli ammassi stellari, la distribuzione della materia oscura, le distorsioni dello spazio-tempo... Per interpretare le osservazioni e fare previsioni si usano reti neurali artificiali.

lente-gravitazionale-e-rete-neurale
|INAF

La materia piega lo spazio-tempo. Questo, di per sé, non è un male: questa deformazione del tessuto dell'universo è ciò che chiamiamo gravità. Se la materia è molto, molto concentrata (come nel caso di buchi neri o interi ammassi di galassie), piega lo spazio talmente tanto da curvare anche la traiettoria della luce che lo attraversa, un fenomeno che adesso chiamiamo lente gravitazionale.

 

L'effetto, per noi, è che se guardiamo in quella direzione (con lo strumento giusto, è naturale), dietro e attorno alla zona di spazio deformato vediamo uno sfondo che non corrisponde alla realtà, ma è - anch'esso - una deformazione, un'illusione che mostra a volte strane figure nello spazio.

 

Curiosità a parte, è un "semplice" fenomeno ottico: semplice è tra virgolette perché bisogna pensare a forze gravitazionali e dimensioni poderose, perché il paragone con l'ottica e le lenti di ingrandimento è solo un'utile semplificazione (una analogia) e perché è stato ipotizzato per la prima volta nel 1913, da Einstein, e faticosamente confermato in sessant'anni osservazioni, tra il 1919 e il 1980.

 

Grandi masse, grandi calcoli. Grazie alle lenti gravitazionali siamo riusciti a vedere galassie e supernove lontanissime e altrimenti invisibili. C'è tuttavia il problema di interpretare la deformazione: di quelle lenti nello Spazio non conosciamo le "caratteristiche tecniche", com'è invece per una lente di ingrandimento. Come ricostruire l'immagine "vera"?

 

Ci sono «esperti che per settimane lavorano a simulazioni lunghe e complesse», spiega Laurence Perreault Levasseur, dell'Università di Stanford (California): «un lavoro che una rete neurale può fare quasi in una frazione di secondo».

 

reti neurali
Curiosità: capricci a colori di una rete neurale. | Shutterstock

Bambino prodigio. Levasseur e colleghi hanno creato e istruito una rete neurale artificiale (un modello matematico che si ispira a una rete neurale biologica) "mostrandole" ogni giorno quasi mezzo milione simulazioni di lenti gravitazionali, mettendo i calcoli a confronto con dati reali noti.

 

Il sistema è stato infine in grado di analizzare e interpretare correttamente le distorsioni, 10 milioni di volte più velocemente di quanto è possibile con il metodo classico.

 

lenti gravitazionali, materia oscura
Per approfondire: 10 cose che tutti dovrebbero sapere sulla materia oscura. | American Museum of Natural History

Il sistema può adesso calcolare sia com'è distribuita la massa nell'oggetto che deforma lo spaziotempo, sia quanto e come viene deformato l'oggetto alle sue spalle: «Semplificando, possiamo dire che questo tipo di intelligenza artificiale "apprende" le caratteristiche da cercare e isolare», commenta Phil Marshall, coautore dello studio, «è un po' come quando i bambini piccoli imparano a riconoscere le cose. Non dite loro che cos'è un cane, glielo mostrate».

 

Lenti dai mille usi. Le lenti gravitazionali non sono solo un modo per osservare dettagli lontanissimi (e quindi antichissimi) dell'Universo, ma anche un ottimo indicatore della quantità massa che genera la distorsione. In base alla distorsione possiamo calcolare la massa di un ammasso di galassie e vedere anche come cambia nel tempo. Uno fra gli indizi dell'esistenza della materia oscura (materia che ha massa, deforma lo spazio-tempo, ma non si vede a nessuna lunghezza d'onda) viene proprio dalle misure di massa delle galassie che creano lenti gravitazionali.

09 Settembre 2017 | Davide Lizzani