Dall’immagine alla mappa 3D: come DESI trasforma le galassie in distanze cosmiche

Una mappa celeste può sembrare un’immagine molto dettagliata dell’universo, ma un’immagine da sola non indica necessariamente quanto dista ogni galassia. I DESI Legacy Imaging Surveys e il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) svolgono funzioni diverse e complementari: i primi hanno raccolto immagini che permettono di localizzare gli oggetti nel cielo; il secondo osserva la luce di una selezione di quegli oggetti per ottenere informazioni sulla loro distanza e sul loro movimento.

Il collegamento tra i due mostra come si passa da una cartografia in due dimensioni a una in tre. La mappa colloca gli oggetti nel cielo; le misurazioni spettroscopiche di DESI forniscono informazioni che permettono di ordinarli anche in profondità. NOIRLab ha presentato il progetto nel gennaio 2021 come base per il survey di DESI. Le cifre che seguono descrivono quella mappa e il piano annunciato allora, non un conteggio aggiornato di tutti gli oggetti celesti conosciuti.

Una mappa di immagini per localizzare gli oggetti

I Legacy Imaging Surveys hanno combinato immagini scattate al Kitt Peak National Observatory, in Arizona, e al Cerro Tololo Inter-American Observatory, in Cile. La raccolta è stata integrata con immagini di WISE, il telescopio spaziale Wide-field Infrared Survey Explorer della NASA. La mappa risultante copriva metà del cielo e riuniva più di un miliardo di galassie.

La copertura digitale si estendeva a dieci bilioni di pixel — 10¹² nella scala numerica usata in spagnolo. Il progetto ha descritto la mappa come la più grande realizzata fino ad allora considerando congiuntamente l’area di cielo coperta, la sensibilità e il numero totale di galassie cartografate. Non si trattava di una singola esposizione: le immagini provenivano da tre survey, MzLS, DECaLS e BASS, e da un lavoro durato sei anni, che ha accumulato 1.405 notti di osservazione.

Anche il volume di lavoro dà un’idea delle dimensioni del progetto: la nota di NOIRLab quantificava i dati in un petabyte e l’elaborazione in cento milioni di ore CPU. Nel complesso, le immagini e la loro elaborazione hanno permesso di preparare un catalogo per decidere quali oggetti osservare successivamente con DESI.

Scegliere gli obiettivi per DESI

La funzione della mappa di immagini non era misurare da sola le distanze di tutti gli oggetti. Serviva a individuare i candidati e a selezionare gli obiettivi per il survey spettroscopico. Nel piano descritto nel 2021, la collaborazione DESI prevedeva di scegliere 35 milioni di galassie e 2,4 milioni di quasar. Secondo la nota, alcuni di questi oggetti si trovavano a distanze fino a 12 miliardi di anni luce.

Un quasar è uno dei tipi di oggetti inclusi nella selezione di DESI; in questo contesto, l’aspetto importante è che sia le galassie sia i quasar possono essere obiettivi delle misurazioni spettroscopiche. La mappa permetteva di identificarli e indirizzare verso di loro le osservazioni. Il catalogo bidimensionale fungeva così da guida per organizzare il lavoro successivo, non da sostituto delle misurazioni che aggiungono la dimensione della profondità.

Che cosa aggiunge uno spettro

Per ottenere uno spettro, DESI separa la luce di ogni galassia in sottili bande di colore. Secondo la descrizione del progetto, la distribuzione di quella luce consente al gruppo di misurare le distanze e la velocità con cui le galassie si allontanano da noi. Associando tali misurazioni alla posizione di ciascun oggetto sulla mappa del cielo, è possibile costruire una rappresentazione tridimensionale: non si sa soltanto verso quale regione guardare, ma anche come sono distribuiti gli oggetti lungo la profondità cosmica.

Lo strumento automatizza le osservazioni tramite 5.000 robot orientabili. Ognuno è dotato di una sottile fibra ottica che può essere puntata verso una singola galassia; il progetto consente di misurare gli spettri di un massimo di 5.000 galassie alla volta. Questa capacità permette di lavorare con una selezione molto ampia di oggetti durante il survey, che nell’annuncio era previsto durare cinque anni.

Dalle posizioni alla struttura tridimensionale

La mappa di immagini e quella 3D rispondono quindi a domande diverse. La prima descrive la distribuzione delle sorgenti sulla volta celeste e aiuta a preparare la selezione degli obiettivi. DESI aggiunge misurazioni della luce che permettono di collocare gli oggetti in profondità e registrare la velocità con cui si allontanano. Il risultato atteso è una cartografia più completa della distribuzione di galassie e quasar nell’universo.

NOIRLab ha spiegato che le misurazioni di DESI potevano fornire informazioni sulla natura dell’energia oscura, associata nella nota all’espansione accelerata dell’universo. Questo obiettivo scientifico dipende dall’insieme delle osservazioni e dalla loro analisi: la mappa di immagini è una fase preparatoria, mentre gli spettri forniscono le misurazioni necessarie a tracciare la distribuzione tridimensionale.

L’idea centrale è semplice, anche se la sua realizzazione richiede un’infrastruttura estesa: prima, immagini ampie e uniformi aiutano a localizzare e selezionare gli oggetti; poi, le fibre ottiche raccolgono la loro luce e DESI la scompone in colori. Combinando la posizione celeste con le misurazioni spettroscopiche, una mappa piatta diventa il punto di partenza per misurare come è organizzato l’universo in tre dimensioni.