L'eterna domanda sulle origini è alla base di tutto.
Questioni che sono state esaminate da preti,
filosofi, e anche da noi scienziati.
Cerchiamo pianeti extrasolari per capire quali siano le origini della vita,
e per quanto riguarda le origini dell'Universo...
cerchiamo di osservare l'Universo durante le prime fasi della sua vita.
Questa è uno dei motivi principali per cui costruiamo telescopi più grandi e precisi
e strumenti sempre più sofisticati.
Anche se la luce viaggia a 300 000 chilometri al secondo
l'Universo è così grande che la luce proveniente dagli oggetti celesti
impiega molto tempo a raggiungerci.
La luce del Sole impiega otto minuti per attraversare i 150 milioni di chilometri
che separano il Sole dalla Terra,
mentre la luce dalla stella a noi più vicina, Proxima Centauri, ci mette quattro anni.
La vicina galassia di Andromeda è a 2.5 milioni di anni luce di distanza,
ciò significa che quando guardiamo la galassia di Andromeda,
la vediamo come era più di 2 milioni di anni fa.
Cercando di osservare galassie ancora più lontane,
che distano quasi 13 miliardi di anni-luce,
possiamo guardare indietro nel tempo, e avvicinarci alla nascita dell'Universo.
Gli astronomi sono contemplativi.
L'unica cosa che possiamo osservare è la luce.
A dire il vero ci piacerebbe fare esperimenti come nelle altre scienze...
pesare un galassia ad esempio, o farla smettere di ruotare, per vedere cosa succede,
ma ovviamente non possiamo.
La nostra unica e sola fonte di informazione è la luce.
Certo, possiamo fare fotografie, osservare la forma degli oggetti
e vedere i loro colori,
ma poichè la luce trasmette informazioni
sugli atomi che l'hanno emessa,
usando quanti di energia o la meccanica quantistica
possiamo fare molto di più.
Possiamo trovare tracce di quegli atomi, una sorta di codice genetico unico,
e questo è uno strumento molto potente,
perchè significa che possiamo determinare la composizione chimica,
la fisica del gas, persino il movimento delle stelle,
grazie all'effetto Doppler.
Gli strumenti che ci permettono di ottenere informazioni analizzando la luce
sono detti spettrografi, e sono assolutamente essenziali per noi.
A partire dalla loro invenzione nel diciannovesimo secolo,
lo spettrografo è stato uno strumento fondamentale per l'astronomia.
Nel 1990 un nuovo tipo di strumento
è stato inventato in Europa: lo spettrografo 3D, o a campo integrale.
Per la prima volta siamo stati in grado di ottenere spettri di un'ampia zona del cielo,
una zona popolata da molti oggetti astronomici.
La prima generazione di strumenti basati su questo nuovo concetto
è ora installata su grandi telescopi in tutto il mondo.
Con i suoi numerosi telescopi in Cile,
l'Osservatorio Europeo Australe, o ESO,
è la punta di diamante dell'astronomia europea.
Molti esempi di spettrografi 3D di prima generazione
sono già installati ai fuochi dei quattro Very Large Telescopes,
con specchi dal diametro di 8.2 metri, all'Osservatorio di Paranal.
Con l'avanzamento tecnologico, dopo una decina d'anni
è possibile costruire fotocamere o spettrografi decisamente migliori
ed installarli su un telescopio per renderlo più potente,
ma ci vogliono da cinque a dieci anni per farlo.
All'inizio degli anni 2000
stavamo pianificando a ESO - dovevamo inventarci idee per strumenti nuovi
e più potenti, strumenti di seconda generazione.
Il bando di ESO ci ha subito dato l'opportunità di cambiare marcia,
e proporre qualcosa che fosse basato su
tutto quello che avevamo imparato in quegli anni,
qualcosa di molto più ambizioso,
che avrebbe significato osservare
l'Universo lontano come mai prima,
quello fu l'inizio del progetto MUSE.
In passato, avevamo strumenti che in un certo senso funzionavano come MUSE
- spettrografi a campo integrale,
che scattano foto e misurano spettri contemporaneamente,
esistevano da 20 anni,
e sia a Lione che nel nostro istituto a Postdam
queste osservazioni erano state utilizzate con grande successo.
Ma ciò che MUSE introduce per la prima volta
è la combinazione di questa capacità
con la capacità di uno strumento di survey,
cioè la possibilità di osservare una parte significativa del cielo,
non una singola galassia,
ma una parte significativa del cielo con una grande quantità di oggetti,
tutto ciò con questa duplice capacità fotografica e spettrografica.
È un nuovo modo di fare astronomia.
MUSE, il Multi-Unit Spectroscopic Explorer,
è composto non da un solo spettrografo 3D, ma da 24.
Quando la luce di una galassia
catturata dal telesopio arriva allo strumento,
incontra come primo elemento ottico il de-rotator,
che compensa la rotazione terrestre.
L'iimagine stabilizzata è ingrandita da una coppia di specchi.
Poi il fascio entra nel primo field-splitter.
L'immagine della galassia viene divisa in 24 sezioni,
cioè 24 fasci ottici separati.
Questi fasci vengono poi distribuiti da un gruppo di
specchi e lenti ai 24 moduli.
La luce è nuovamente ripartita da un secondo field-splitter,
chiamato slicer - il capolavoro di MUSE.
Lo slicer è composto da due serie di 48 specchi sferici,
che separano il fascio il 48 parti.
La luce riflessa da ogni piccolo specchio entra nello spettrografo,
dove viene dispersa a seconda della sua lunghezza d'onda.
Il detector registra lo spettro di una piccola parte della galassia.
Questo procedimento viene ripetuto per ciascuno dei 48 fasci.
Il detector a questo punto è completamente illuminato.
La stessa cosa succede in contemporanea
in ciascuno dei 24 spettrografi.
L'immagine risultante da 400 milioni di pixel
contiene informazioni spettrali su ogni parte della galassia.
Ovviamente nessun laboratorio sarebbe stato in grado di realizzare un progetto
complesso come MUSE da solo,
nessuno ne avrebbe avuto la forza o la capacità,
quindi ho riunito un gruppo di laboratori in Europa che,
insieme, avevano le competenze per un tale progetto.
Cinque laboratori di ricerca si sono uniti
all'Astrophysical Research Centre di Lione
per realizzare MUSE, inseme ad ESO.
Il percorso è iniziato nel 2004 con la creazione del concept, la progettazione,
e la costruzione, coinvolgendo esperti di
ottica, meccanica, elettronica e software.
Per completare le varie fasi ci sono voluti 9 anni e la collaborazione di un centinaio di ricercatori,
tecnici e ingegneri per superare le varie sfide,
in particolare la realizzazione dello slicer,
il componente chiave di MUSE.
Quindi dovete capire che all'inizio,
quando abbiamo avviato il progetto, come capita spesso,
non sapevamo esattamente come realizzare lo slicer.
Avevamo fatto un piccolo prototipo e basta,
così con l'avanzare del progetto,
abbiamo dovuto dimostrare che eravamo veramente in grado di costruirlo.
Quindi abbiamo fatto una gran quantità di test,
costruito pezzi in metallo con varie tecnologie,
nel campo dell'ottica, con diversi costruttori,
in Europa e negli Stati Uniti...
ed ogni volta, non ha funzionato.
Ogni volta c'era qualcosa che non andava, e così ad un certo punto
abbiamo seriamente creduto che il progetto avrebbe dovuto fermarsi
- niente slicer, niente MUSE.
Poi all'improvviso un costruttore francese
si è inventato una tecnologia
che ci avrebbe permesso di costruire lo slicer,
e ovviamente non dovevamo farne uno solo, ma 24!
Eravamo salvi.
L'assemblaggio di MUSE è iniziato a Lione nel 2010.
Sono arrivati migliaia di pezzi da tutta Europa.
Ci sono voluti tre anni per costruire,
calibrare, allineare e collaudare lo strumento.
A settembre 2013, dopo i test finali, MUSE è stato smontato,
imballato con attenzione, e spedito in Cile.
MUSE è arrivato in dozzine di scatole.
Numerosi autocarri sono arrivati a Paranal, e la nostra principale preoccupazione era:
sarà tutto intatto?
Perché vedete, sono pezzi unici,
e se un pezzo fosse stato rotto,
non avremmo avuto tempo di farne un altro abbastanza velocemente,
tutto ciò era molto stressante.
Ma era tutto a posto,
così una volta che le casse
con tutti i pezzi sono state aperte a Paranal,
e abbiamo visto che era tutto a posto, dovevamo assemblarlo,
testarlo e allinearlo; e per MUSE,
che è un degli strumenti più grandi installati sul VLT
- il più rande in effetti - quella fase è stata molto lunga.
Ma la parte veramente stressante di questa maratona
è stata rispettare le scadenze.
Le notti che ci erano state assegnate per il commissioning
erano state fissate molto tempo prima,
e non potevamo assolutamente sbagliare.
Era una nuova esperienza per noi, perchè in progetti precedenti
avevamo smontato strumenti,
li avevamo divisi in singoli pezzi e poi rimontati
sul telescopio o sulla piattaforma,
ma per MUSE questo non era possibile,
perché MUSE era troppo complicato perchè potessimo fare l'assemblaggio
e soprattutto l'allineamento all'interno della cupola del telescopio.
Fu deciso di sollevare lo strumento intero
e issarlo nella cupola,
e c'è un solo modo per entrare in una cupola con uno strumento di grandi dimensioni:
attraverso l'apertura per le osservazioni.
Immaginate il nostro stato mentale...
Sapevamo che sarebbe stata il momento cruciale dell'operazione
e che le condizioni atmosferiche avrebbero giocato un ruolo fondamentale,
perchè avremmo spacchettato lo strumento
e l'avremmo lasciato fuori prima di installarlo sul telescopio.
Ma ovviamente, quando stavamo per farlo,
c'era vento forte e rischio di pioggia.
Quindi abbiamo rallentato, e aspettato,
poi ci siamo riuniti e abbiamo guardato le previsioni del tempo,
e preso la decisione di andare avanti.
Uno dei rischi principali era chiaramente
quello di danneggiare lo strumento.
Ma c'era anche un altro fattore: l'allineamento.
Ci erano voluti più di due mesi nella sala di integrazione,
e se si fosse disallineato,
non avremmo avuto altra scelta se non smontarlo di nuovo.
E poi è stato sollevato, quindici metri sopra le nostre teste,
ma a dire la verità in quel momento,
pensavo che sarei stato eccitatissimo
e che avrei temuto che lo strumento potesse cadere...
Un altro elemento critico era che il telescopio ha degli specchi,
e avremmo avuto grossi problemi con gli specchi
se il Sole li avesse illuminati,
quindi abbiamo iniziato a sollevare lo strumento attorno alle 5-5.30 del mattino,
e quando abbiamo finito,
avevamo solo una decina di minuti
prima che il sole illuminasse lo specchio principale,
quello sarebbe stato il momento in cui saremmo stati obbligati a chiudere lo shutter.
Quindi non era solo un'operazione tecnica molto delicata,
ma avremmo anche avuto pochissimo tempo per farlo.
Era la prima volta che una luce,
che non fosse luce ambientale o proveniente da una lampada di calibrazione,
avrebbe raggiunto lo strumento...
la luce di una stella, o di una galassia per esempio.
Ho voluto rendere simbolico quel momento scegliendo
un oggetto seciale, che fosse nascosto, e segreto, così ho scelto la stella di Kapteyn.
L'ho scelta perchè è a 13 anni luce di distanza da noi,
cioè la luce che avremmo osservato era stata emessa dalla stella nel 2001,
nello stesso momento in cui avevamo fatto l'offerta per il bando di ESO.
Per 13 anni
la luce ha viaggiato attraverso lo spazio profondo,
a 300 000 chilometri al secondo,
e dopo 13 anni è giunta al canale numero 6 di MUSE.
È stato meravigliosamente simbolico.
Ho condiviso tutto questo con la squadra quando me l'hanno chiesto,
e gli ho anche detto che era perchè
la luce della stella aveva proseguito dritta,
mentre per noi la strada era stata un po' più tortuosa.
Era la Prima Luce
ed per la prima volta avremmo scattato una foto del cielo.
Personalmente ero molto sotto pressione,
perché avevamo installato lo strumento
e passato una settimana ad allinearlo correttamente con il telescopio,
così quando abbiamo scattato la prima fotografia,
quella era anche una prova che lo strumento
era stato posizionato esattamente di fronte al telescopio.
Era il risultato di 10 anni di lavoro e ha funzionato,
potevamo vedere le nostre stelle!
Erano ben definite e potevamo metterle in ordine.
Avevamo avuto successo,
e potevamo quindi consegnare lo strumento agli scienziati,
e sapevamo che ci si sarebbero divertiti molto.
MUSE era pronto, ma prima di entrare in servizio
avrebbe dovuto superare tutta una serie di test e piccoli aggiustamenti.
Questa fase, detta "commissioning",
avrebbe richiesto molte notti di acquisizione dati
in modo che gli ingegneri ed i ricercatori
potessero ottenere da MUSE una performance ottimale.
Su questo schermo possiamo vedere
l'immagine ricostruita dell'area di cielo che stiamo osservando.
Potete vedere i vari oggetti che abbiamo contrassegnato,
e per ciascuno di loro
potete vedere lo spettro, che ne contiene
le caratteristiche e ci dice che tipo di oggetto sia...
se è una galassia, un quasar, o ancora un altro oggetto di interesse scientifico.
Una delle grandi sfide di questo progetto è stata essere in grado
di analizzare in modo efficiente l'enorme quantità di dati
che lo strumento ci fornisce.
Vedete, è capace di produrre 400 milioni di byte di dati al minuto.
La quantità di informazioni può essere considerevole,
il problema però non è solo la quantità, ma anche la complessità.
L'immagine che giunge al detector
è stata suddivisa varie volte in piccoli pezzettini
dagli slicer e dai field splitter,
quindi è estremamente complicata, e bisogna ripercorrere attraverso un algoritmo
quello che è successo sul detector, e confrontarlo con quello che invece c'era in cielo.
Quello che MUSE crea in fondo sono tantissimi pixel di dati su un detector,
che sembra non abbiano né capo né coda.
Quindi è un processo molto complicato.
Abbiamo un esperto nel team
che ha scritto quello che chiamiamo software di riduzione dati,
che praticamente mette tutti questi pixel assieme per creare
immagini, spettri, combinare i dati, eccetera.
A febbraio 2014, durante la fase di convalida,
MUSE ha osservato la nebulosa di Orione
per verificare la sua capacità di analizzare una regione estesa del cielo.
In meno di due ore, MUSE ha scattato più di 60 immagini della nebulosa
- cioè 2 milioni di spettri -
100 volte più di quanti ne fossero disponibili fino ad allora.
Dopo averli processati, abbiamo disposto i dati in un cubo
composto di una serie di 4000 immagini di lunghezze d'onda differenti.
L'analisi di questi dati ha rivelato un certo numero di elementi chimici diversi
e le condizioni fisiche del gas nella nebulosa.
Rispetto ad una singola immagine, il cubo di dati prodotto da MUSE
è così ricco di informazioni che ai ricercatori serviranno molti mesi
per analizzare completamente il suo contenuto e pubblicare i risultati.
Il punto è che
quello che abbiamo ottenuto con la nebulosa di Orione è stato esattamente ciò che speravamo,
anzi molto meglio, è stato spettacolare.
Perché c'è molto gas, ed è in movimento,
e ci sono stelle - stelle calde - che eccitano il gas,
che di conseguenza emette luce in punti diversi
dello spettro elettromagnetico.
Tutto ciò si può facilmente visualizzare con queste mappe colorate
ed è questo che abbiamo fatto successivamente.
E la cosa interessante è che tutto questo serviva solo a dimostrare
le capacità di MUSE, ma contiene anche
una quantità incredibile di dati scientificamente importanti.
Ogni sei mesi
i membri del consorzio di MUSE si incontrano per "settimane impegnate".
Durante questi meeting fanno un resoconto
dello stato del programma osservativo e discutono i risultati recenti.
Durante la settimana professori, postdoc e studenti
di diverse nazionalità si incontrano con un solo obiettivo:
estrarre informazioni scientifiche
dalla luce analizzata e sezionata da MUSE.
Si parla di numerosi argomenti.
In particolare, io mi interesso di galassie
come la nostra Via Lattea, come le galassie cambiano nel tempo,
come evolvono, come si sono formate nell'Universo primordiale,
come si sviluppano nel tempo,
cosa controlla il loro sviluppo, eccetera.
E sappiamo che è cruciale
l'interazione con il gas nell'Universo,
come il gas fluisce dall'Universo sulla Galassia,
è quello il carburante da cui
nascono stelle come il Sole.
E sappiamo che attorno alle galassie c'è del gas,
se volete, quello rimasto dal Big Bang.
Lo vediamo in assorbimento attraverso oggetti di background,
ma questa è una sorta di osservazione unidimensionale.
È letteralmente come cercare un ago in un pagliaio.
Con MUSE possiamo di fatto vedere dove si trova il gas,
in una sorta di volume tridimensionale.
Quindi quello che vogliamo fare con MUSE è capire questo processo
del gas che fluisce dall'Universo circostante sulle galassie.
Direi che il sacro graal del mio campo di ricerca è l'identificazione
di questa rete di gas che pensiamo debba essere lì, nell'Universo primordiale,
rete da cui si formano le galassie.
E MUSE è lo strumento migliore
con cui provare a vederla.
Osserviamo quasar, i cosiddetti quasar,
che sono tra le sorgenti più luminose dell'Universo,
e un quasar non è altro che un buco nero supermassivo.
Il gas spiraleggia verso il buco nero
per vià dell'attrazione gravitazionale,
e per via di questa gravità molto forte
il gas si muove molto velocemente man mano che si avvicina al buco nero.
E dato che si muove così velocemente
c'è molto attrito tra strati di gas
che si muovono a velocità diverse
il gas diventa molto, molto caldo,
e man mano che si scalda emette enormi quantità di radiazione.
Ora, usavamo questi quasar come strumenti,
non per studiarli direttamente, ma come se fossero delle torce.
Perchè sono così luminosi che possiamo vederli da molto lontano,
e quindi vediamo una torcia, e controlliamo che cosa il gas
che si trova tra il quasar e voi - il telescopio, l'osservatore -
cosa assorba quel gas che si trova attorno ad una galassia tra l'osservatore e il quasar,
quindi possiamo studiare il gas attorno a quella galassia:
non può essere osservato in nessun altro modo.
Ma per imparare che cosa colleghi il flusso di gas in entrata e quello in uscita dalla galassia
abbiamo bisogno di sapere dove si trova la galassia, ed ecco l'ostacolo.
Non potevamo trovare tute le galassie, solo quelle molto luminose.
Con MUSE possiamo osservare oggetti molto più deboli,
uno o due ordini di magnitudine più deboli,
e quindi possiamo identificare molte più galassie.
In effetti, ci siamo resi conto che avremmo potuto trovare tante galassie
quante erano le righe di assorbimento che potevamo vedere,
in modo da potere veramente cominciare a fare un collegamento tra il gas e ciò che vediamo in assorbimento
con le galassie osservate da MUSE,
e in quel modo, per la prima volta,
capire qualcosa sui flussi di gas in entrata e in uscita
da galassie molto molto lontane.
Questi flussi sono importanti
perché lontano in astronomia significa indietro nel tempo.
E con MUSE possiamo studiare questo fenomeno nel momento
di massima attività delle galassie nella storia dell'Universo,
stavano formando stelle strenuamente,
e proprio per questo motivo stavano producendo grandi esplosioni
che hanno spazzato via molto gas, rispedendolo nello spazio intergalattico.
Si fanno carotaggi nel ghiaccio in Antartide per andare indietro nel tempo nella storia meteorologica,
ed è lo stesso quando osserviamo una zona del cielo molto in profondità.
Andiamo indietro nel tempo.
Ora, io sono particolarmente interessato alle galassie,
quegli enormi raggruppamenti di milioni di stelle,
e ai milioni di galassie nell'Universo.
Vogliamo sapere quando si sono formate, come si sono evolute,
e quindi è come fare un carotaggio molto in profondità nell'Universo
che significa poter vedere le galassie in diversi periodi della loro evoluzione
- da neonate, adolescenti, adulte, eccetera...
ed è proprio così che cerchiamo di ripercorrerne la storia.
Muse è davvero lo strumento perfetto per farlo.
Credo sia geniale, perchè in passato volevo fare l'archeologo,
e in questo modo ho riscoperto quasta passione della mia gioventù.
Con MUSE sto facendo archeologia nell'Universo!
Nel 2014, durante un periodo equivalente a quattro notti,
MUSE ha osservato un'area dell'Hubble Deep Field.
Questa zona del cielo era stata ripresa nel 2000
dall'Hubble Space Telescope,
usando un tempo di esposizione molto lungo
per ottenere immagini a colori di centinaia di galassie.
Il cubo di dati prodotto da MUSE di questa area è ricco di informazioni.
Man mano che lo analizziamo,
ci spostiamo in lunghezza d'onda, dal blu all'infrarosso.
Si può notare un gran numero di punti luminosi
che variano sia in luminosità che in lunghezza d'onda.
Sono in prevalenza galassie.
Dalle variazioni di luminosità
possiamo dedurre le proprietà fisiche delle galassie
- ad esempio, che tipo di stelle sono presenti.
Ora selezioniamo una piccola regione del cubo, per la precisione due diverse zone.
La prima è il centro di una galassia molto luminosa. La seconda è vuota.
A sinistra vediamo apparire uno spettro.
Vicino ai 520 nanometri vediamo una riga di emissione luminosa.
La galassia è molto brillante a questa lunghezza d'onda,
e questo ci dice che ospita al suo interno ossigeno caldo.
Nelle lunghezze d'onda del rosso possiamo vedere un'altra riga, nella seconda parte del cubo.
Lì, dove prima non era possibile vedere nulla,
la presenza di idrogeno ionizzato ci rivela che c'è una galassia.
Misurando la lunghezza d'onda precisa della riga di emissione,
è possibile ricavare la distanza della galassia.
Ed è molto distante, 13 miliardi di anni luce,
e l'abbiamo osservata solo un miliardo di anni dopo il Big Bang.
La qualità delle immagini del telescopio Hubble
ci permette di vedere una galassia e la sua forma con precisione,
ma ciò che vediamo essenzialmente
è quanta luce ci arriva in un dato momento da quella galassia.
Con gli spettri, abbiamo anche la distribuzione di energia di questa luce,
tutte le lunghezze d'onda e i colori,
e questo ci dà molte più informazioni,
come ad esempio la velocità di rotazione della galassia,
il movimento del gas, gli elementi chimici,
e il numero di stelle di età diverse - giovani e vecchie -
di cui la galassia si compone..
Tutte queste informazioni messe insieme ci consentono di stimare
che stadio la galassia abbia raggiunto nella sua evoluzione.
Grazie a MUSE possiamo misurare le distanze
di qualcosa come 180 galassie nello stesso campo visivo,
e abbiamo scoperto circa 30 nuove galassie molto distanti
nello stesso campo, che non potevano essere osservate con Hubble.
Sappiamo di aver costruito uno strumento molto bello
che ora è considerato non solo da noi,
ma da tutta la comunità di coloro che l'hanno usato,
come la Rolls Royce dell'astronomia.
Dopo un anno di utilizzo un impressionante numero di articoli
è stato pubblicato a partire da dati provenienti da MUSE,
e soprattutto da persone che non erano parte del team MUSE.
È molto bello vedere come persone al di fuori del progetto
possano usare facilmente lo strumento,
ottenere risultati - ottimi risultati - molto velocemente.
Nel 2014 ho vissuto momenti straordinari.
È stato un sogno divenuto realtà; è stata un'idea, un piano molto vago che è diventato,
nella realtà, una macchina fantastica per viaggiare indietro nel tempo.
È stata un'avventura tecnica, scientifica e umana.
Durante la quale ho incontrato persone eccezionali,
di intelligenza straordinaria, dedicati al progetto,
e insieme abbiamo fatto qualcosa di straordinario
che nessuno di noi avrebbe potuto fare da solo.
MUSE verrà usato da ESO e da noi forse per i prossimi 10,
15 o 20 anni,
quindi penso che MUSE lascerà un segno
come importante contributore alle scoperte scientifiche.