Come gli scienziati hanno collaborato per creare la prima immagine al mondo di un buco nero

Lo scorso aprile, una coalizione di centinaia di scienziati provenienti da tutto il mondo si è riunita per realizzare qualcosa che in precedenza era stato considerato impossibile: produrre il prima immagine in assoluto di un buco nero, come parte del progetto Event Horizon Telescope (EHT).

Jonathan Weintroub è un ingegnere elettrico e scienziato che ha avuto un ruolo di primo piano nella progettazione del strumentazione digitale per l'intero array e che è stato coinvolto nell'EHT sin dalle sue origini fasi. Digital Trends ha parlato con lui delle sfide legate al riunire così tante persone, istituzioni e telescopi con un unico obiettivo condiviso.

Questo articolo fa parte della nostra serie Innovazione attraverso la collaborazione

La collaborazione è il superpotere dell’umanità. Ha consentito alcuni dei progressi più significativi che il mondo abbia mai visto e, in questa serie, mostreremo alcuni degli esempi più incredibili e stimolanti di collaborazione avvenuta nel modo giusto Ora.

Adattamento dei telescopi per una nuova funzione

Il progetto ha richiesto l'uso di otto diversi telescopi in sei luoghi diversi. Questi telescopi però non sono stati realizzati su misura per questo compito: Weintroub e i suoi colleghi hanno preso i telescopi esistenti e li hanno dotati di nuove apparecchiature per renderli parte di un sistema globale.

La maggior parte dei telescopi erano paraboliche singole, come il telescopio del Polo Sud in Antartide o l'IRAM Telescopio da 30 metri in Spagna, "così sembrano l'antenna parabolica della televisione, ma più grandi", Weintroub spiegato. Il team ha montato due apparecchiature su ciascuna parabola: in primo luogo, c'era un backend digitale costituito da un convertitore da analogico a digitale e un computer Linux con 256 terabyte di spazio di archiviazione per registratore. Quattro di questi registratori per sito contenevano un totale di 1,2 petabyte di dati.

In secondo luogo, c’era un orologio atomico, poiché timestamp precisi sono essenziali per ottenere letture accurate su tutto il sistema. "Ha le dimensioni di un frigorifero in un dormitorio e mantiene il tempo entro circa un secondo ogni dieci milioni di anni", ha detto Weintroub.

Alcuni dei telescopi coinvolti erano array costituiti da più parabole, come il Submillimeter Array alle Hawaii o l’Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array in Cile. Per il progetto EHT, questi array devono agire come un'unica stazione. Ciò ha comportato una fase di elaborazione aggiuntiva, come ha spiegato Weintroub: “Invece di eseguire l’elaborazione standard che facciamo sul segnali, costruiamo uno strumento speciale che somma l'uscita di ciascun telescopio nella schiera e presenta un solo segnale per digitalizzazione”.

Una coincidenza di bel tempo

Una volta raccolti i dati in ciascun sito del telescopio, sono stati inviati a una sede centrale per l'elaborazione, in Massachusetts o a Bonn, in Germania. Ma “1,2 petabyte per ogni stazione sono troppi dati da inviare su Internet”, ha affermato Weintroub. "Quindi imballiamo fisicamente questi dischi in una scatola e li spediamo in una posizione centrale."

I dischi del telescopio al Polo Sud si sono però rivelati una sfida. “Né FedEx né UPS servono il Polo Sud e quando effettueremo l’osservazione ad aprile non c’è servizio aereo. Alla fine di febbraio hanno spento gli aerei e lì è rimasto solo uno staff ridotto ad imballare i dischi. Aspettiamo sei mesi prima che arrivi un aereo e inizi a viaggiare. Alla fine abbiamo aspettato sei mesi per i dati del Polo Sud”.

Un altro problema pratico era il tempo in ciascun sito. I radiotelescopi ad alta frequenza, come quelli utilizzati nel progetto EHT, sono estremamente sensibili all’acqua nell’atmosfera e richiedono cieli sereni per funzionare in modo efficace. Ecco perché la maggior parte dei telescopi si trovano in luoghi ad alta quota con atmosfere molto secche, come il deserto di Atacama in Cile o Mauna Kea alle Hawaii. Anche così, l'osservazione richiede bel tempo in ogni singolo sito. “Se vuoi che funzioni, devi avere una coincidenza di bel tempo in tutti i siti. Ciò accade piuttosto raramente, a quanto pare.

Le condizioni meteorologiche non influenzano solo la scienza, ma anche gli scienziati. L'altitudine estrema e la bassa umidità comportano sfide per le persone che lavorano nei siti. “C’è una quantità molto bassa di vapore acqueo in cima alla montagna. È come un deserto. La tua pelle si screpola, devi mettere una protezione sulle tue labbra. E per quanto riguarda l’altitudine: “Siamo fino a 6.000 metri di altitudine. La pressione atmosferica è circa il 60% di quella al livello del mare. Ti viene il mal di montagna e ti viene il mal di testa. Per adattarsi alle condizioni, gli scienziati si acclimatano trascorrendo alcuni giorni ad altitudini sempre più elevate.

Reclutare persone e organizzazioni

EHT era solo uno dei tanti progetti in competizione per il tempo sui vari telescopi. Le sottoscrizioni per i telescopi sono eccessive, il che significa che per il loro utilizzo si applicano più progetti di quelli che possono essere assegnati, quindi può essere competitivo dedicare tempo agli strumenti. Cercando di convincere governi, organizzazioni e scienziati a concedere tempo all'EHT sui vari telescopi era una “questione di manovre”, soprattutto prima che il risultato storico dell’EHT facesse notizia 2019.

E c’è il problema di coordinare un numero enorme di persone che vivono in paesi diversi. Gli aspetti pratici di avere ricercatori che vivono in fusi orari dall’Asia orientale alle Hawaii significano che è quasi impossibile trovare un orario per incontrarsi per le teleconferenze. Weintroub ha finito per organizzare due versioni di ogni incontro globale, proprio in modo che tutti potessero parteciparvi senza doversi alzare nel cuore della notte.

Sfide personali

C’è anche l’aspetto interpersonale, spesso trascurato, del lavoro scientifico collaborativo. "L'unione di tutti questi telescopi è stata presentata come un modello per il resto del mondo della collaborazione, ma ha comportato trattative complicate", ha detto Weintroub. “C’è sicuramente una sfida quando la collaborazione passa da un gruppo di 12 ricercatori a un gruppo di oltre 250. All’interno della collaborazione c’è una certa dose di competizione e rivalità naturale. Può essere un po’ una sfida personale”.

Negli ambienti scientifici, i contributi relativi degli autori agli articoli pubblicati si riflettono nell'ordine in cui sono elencati i loro nomi. Ma cercare di determinare il contributo individuale di ciascun ricercatore a un progetto così vasto era sostanzialmente impossibile. Alcuni membri del team lavoravano al progetto da dieci anni, mentre altri si sono uniti solo negli ultimi anni. E c’è un’enorme pressione sui ricercatori, soprattutto quelli all’inizio della loro carriera, affinché il loro nome venga messo in risalto in pubblicazioni importanti.

"C'è stato un grande dibattito sulla paternità", ha detto Weintroub. Alla fine, nei documenti risultanti dal progetto EHT, “la paternità è puramente alfabetica. Dopo aver preso parte al dibattito, questo era l’unico modo in cui si sarebbe potuto fare”.

Un risultato notevole

Tutto questo lavoro e questo coordinamento hanno ottenuto un risultato davvero notevole: la prima immagine in assoluto di un buco nero, situato nella galassia Messier 87. E il progetto EHT continuerà, con ancora più telescopi che si uniranno al progetto per fotografare più buchi neri con una sensibilità ancora maggiore in futuro.

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