Il telescopio del polo sud si trova presso la stazione del polo sud di Amundsen–Scott, in Antartide. La stazione dispone di dormitori, uffici, una caffetteria, una palestra e altri servizi per i visitatori. Credito:Lindsey Bleem/Argonne National Laboratory
Esaminando il cosmo dalla sua posizione isolata in Antartide, un progetto collaborativo mira a rivelare intuizioni sugli inizi dell'universo.
In estate al Polo Sud, che dura da novembre a febbraio, la temperatura media è di appena 18 gradi F. Il sole non tramonta durante questo periodo, rendendo il sonno una sfida. L'ambiente è duro e secco. E la connessione Internet alla stazione Amundsen–Scott South Pole, quando puoi accedervi, è dolorosamente lenta.
D'altra parte, le distrazioni dal lavoro sono poche e il paesaggio è stupendo. I pasti dalla cucina in loco sono ottimi. La parte migliore? C'è una visione impareggiabile dell'universo primordiale.
Vedere la luce più antica dell'universo
Quella vista, che proviene dal South Pole Telescope (SPT) della stazione di ricerca, non è ciò che molti di noi immaginerebbero quando guardiamo il cielo. Piuttosto che stelle e pianeti, le immagini dell'SPT assomigliano più a un dipinto di Jackson Pollock. Acquisiscono dati relativi all'origine dell'universo e alla sua evoluzione nel corso di miliardi di anni.
Da quando l'SPT ha iniziato a funzionare nel 2007, ha aiutato i ricercatori a scoprire oltre 1.000 ammassi di galassie giganti (compresi alcuni davvero eccezionali) e ha cambiato la nostra comprensione del periodo in cui si sono formate le prime stelle, tra le altre rivelazioni. Oltre 20 università e strutture di ricerca del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), tra cui l'Argonne National Laboratory, stanno collaborando allo sforzo.
Il telescopio da 33 piedi utilizza rivelatori sviluppati e costruiti ad Argonne per studiare il fondo cosmico a microonde (CMB). Il CMB è costituito dalla luce prodotta quando l'universo aveva circa 380.000 anni. All'epoca, l'universo del bambino era un plasma estremamente caldo e il bagliore che produceva viaggia nello spazio da circa 14 miliardi di anni.
"Guardare lo sfondo cosmico a microonde, dipingere il nostro universo primordiale e collegarlo alle osservazioni che vediamo oggi, costituisce uno dei pilastri fondamentali del nostro modello cosmologico", ha affermato Lindsey Bleem, fisica dell'Argonne che raccoglie e analizza i dati dal SPT.
L'Antartide è uno dei posti migliori al mondo per rilevare questo debole segnale perché è essenzialmente un deserto ghiacciato e molto secco. L'acqua nell'aria può creare "rumore" in una vista del cielo con un telescopio, ha spiegato Bleem, rendendo l'immagine meno nitida. L'ambiente dell'SPT è il più possibile privo di interferenze sulla Terra.
Per la maggior parte, gli scienziati possono raccogliere e lavorare con i dati dell'SPT da Argonne nell'Illinois o da qualsiasi altro luogo configurato per accedere ai dati in remoto. Ma occasionalmente, la manutenzione e gli aggiornamenti, come una telecamera di terza generazione installata nel 2017, richiedono il viaggio in questa struttura nel mezzo di un deserto ghiacciato.
Che si tratti del freddo che batte i denti, dell'attesa dell'arrivo dei rifornimenti o della manutenzione delle attrezzature e delle intemperie, la posizione remota può essere scoraggiante. La sola mancanza di umidità è "qualcosa che è un po' impegnativo e può anche interferire con l'andamento quotidiano delle cose", ha affermato Clarence Chang, un fisico Argonne che sviluppa rivelatori superconduttori per l'SPT.
Un aspetto positivo:durante la stagione estiva del telescopio, i cuochi del personale forniscono pasti ai ricercatori in visita e "il cibo è assolutamente fantastico", ha detto Bleem.
Rivelatori super sensibili e superconduttori
L'aggiornamento del 2017 alla telecamera dell'SPT ha portato da 1.600 a 16.000 rilevatori. Aggregati insieme, i rivelatori assomigliano a un nido d'ape che misura circa 17 pollici di diametro. I rivelatori sono mantenuti molto più freddi della notte antartica più fredda, appena al di sopra dello zero assoluto, o meno 459 F. La temperatura, combinata con la sensibilità dei loro materiali superconduttori, li aiuta a registrare la debole luce del CMB.
I ricercatori hanno sfruttato il Center for Nanoscale Materials dell'Argonne, una struttura utente del DOE Office of Science, per fabbricare i rivelatori. Le apparecchiature della struttura consentono di controllare i materiali superconduttori e di elaborarli in modo coerente.
Uno degli obiettivi di ricerca delle osservazioni CMB è quello di esplorare una teoria nota come inflazione cosmica, l'idea che l'universo primordiale abbia subito un'espansione massiccia e inimmaginabilmente rapida. Questa teoria è associata alle previsioni di modelli particolari nella CMB.
"Queste previsioni sono estremamente difficili da misurare. I segnali sono molto deboli, il che richiede la costruzione di strumenti incredibilmente sensibili", ha affermato Chang.
L'SPT ha avviato un'indagine di sei anni con la nuova fotocamera nel 2018. L'array di rivelatori potenziato, combinato con anni di osservazione, è un po' come impostare una lunga esposizione sulla fotocamera per smartphone più recente e più grande per catturare un'immagine dettagliata di notte.
"Sta ticchettando, raccogliendo i dati per noi", ha detto Amy Bender, un fisico Argonne che ha aiutato a installare la fotocamera di terza generazione. "Osserviamo lo stesso pezzo di cielo ogni singolo giorno, tutto il giorno. Più lo osserviamo, meglio possiamo rilevare i segnali più deboli."
Quando la corsa dell'SPT terminerà nel 2024, gli scienziati saranno impegnati non solo ad analizzare i dati risultanti, ma anche a lavorare su ulteriori aggiornamenti dell'SPT.
La capacità di Argonne di produrre in modo affidabile rivelatori di telescopi supersensibili sarà fondamentale anche per un nuovo e ambizioso esperimento:CMB-S4. In quell'esperimento, una collaborazione di Argonne e dozzine di istituzioni in tutto il mondo, 21 telescopi al Polo Sud e nel deserto cileno di Atacama rileveranno il cielo per sette anni a partire dalla fine del decennio. Il numero di rilevatori schierati salirà a 500.000 e alcuni di essi saranno realizzati ad Argonne.
Scrivere i numeri extragalattici
Le simulazioni eseguite su computer ad alte prestazioni presso l'Argonne Leadership Computing Facility, anche una struttura utente del DOE Office of Science, sono fondamentali per decodificare le osservazioni dell'SPT. Gli scienziati usano questa potenza di calcolo per correlare le teorie su come la materia e le forze interagiscono nell'universo. Un ammasso di galassie nella linea di vista del telescopio, ad esempio, distorcerà la luce di fondo di altre galassie e della CMB. Tale effetto deve essere misurato e correlato alle previsioni teoriche.
Per spiegare come le simulazioni aiutino le osservazioni, Bleem ha fornito un esempio:supponiamo che tu abbia una foto della Torre Eiffel senza dati sull'altezza della struttura. Potresti usare la misura nota di un oggetto vicino, come una persona in piedi a terra, per ragionare sulle sue dimensioni. Allo stesso modo, i computer aiutano a colmare il divario tra ciò che sappiamo e ciò che miriamo a scoprire fornendoci una comprensione di questi processi complicati e consentendoci di valutare quanto bene i nostri strumenti di analisi possono ricostruire modelli di questi fenomeni.
Con l'aggiornamento SPT e il prossimo progetto CMB-S4, gli scienziati continuano a generare più dati osservativi. Le risorse informatiche di Argonne stanno tenendo il passo, ha osservato J.D. Emberson, scienziato computazionale di Argonne.
"I primi codici cosmologici simulavano solo la gravità", ha detto Emberson. "Ma poiché stiamo ottenendo telescopi migliori e più grandi in grado di raccogliere più informazioni nell'universo, è importante avere le capacità per simulare qualcosa di più della semplice gravità".
Emberson lavora sull'Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), il framework utilizzato per eseguire simulazioni cosmologiche per l'SPT e altri telescopi. Il suo lavoro, parte del progetto ExaSky guidato da Argonne, sta preparando l'HACC per computer exascale come Aurora, che saranno adatti per gestire simulazioni cosmologiche su scala estrema.
"Mentre gli scienziati costruiscono strumenti di prossima generazione, vogliamo essere in grado di spingere l'informatica di prossima generazione in modo che corrisponda a questo", ha affermato Emberson.
Sia l'informatica che i rivelatori avanzati in fase di sviluppo ad Argonne stanno servendo l'esplorazione del cosmo da parte dell'SPT. Ma sono anche rilevanti per una serie di altre tecnologie qui sulla Terra, come lo screening per l'assistenza sanitaria e la sicurezza.
"Nessuna azienda produce apparecchiature come questa oggi", ha affermato Bender. "Quindi, stiamo guidando il fronte per spingere la tecnologia per questo. Chissà quali porte potrebbero aprire per altre aree?" + Esplora ulteriormente
