The influence of standard relativistic effects on Gaia-like astrometric catalogs

Immaginate di cercare di mappare le stelle con un righello che si piega leggermente ogni volta che guardate vicino a un oggetto massiccio. Per secoli, gli astronomi si sono affidati alle leggi di Newton, che trattavano lo spazio come un palcoscenico rigido e immutabile dove la gravità era solo una forza che attirava le cose tra loro. Ma all'inizio del XX secolo, emerse una nuova teoria che cambiò completamente questo scenario: la gravità non è solo una forza, ma una deformazione dello spazio e del tempo stesso. Quando la luce di una stella lontana viaggia accanto a un oggetto massiccio come il Sole o Giove, non percorre una linea perfettamente retta; segue la curva di questo spazio deformato. Questa deviazione della luce, nota come deflessione gravitazionale della luce, è un effetto minuscolo, ma per i telescopi moderni in grado di misurare le posizioni con un'accuratezza incredibile, è una distorsione significativa. La missione Gaia dell'Agenzia Spaziale Europea, che ha mappato quasi due miliardi di stelle con un'accuratezza di pochi milioniesimi di arcosecondo, opera a un livello in cui queste piccole curvature contano. Per dare un senso ai dati, gli scienziati devono utilizzare un complesso quadro matematico basato sulla teoria della Relatività Generale di Einstein per correggere ogni singola osservazione, assicurando che la mappa finale dell'universo non sia sbilanciata dalla gravità del nostro stesso sistema solare.

La domanda a cui i ricercatori Gabriel Rodríguez-Moris e Sergei A. Klioner si sono posti era se questa immensa complessità sia sempre necessaria. Sebbene sia noto che un'osservazione singola di una stella che passa vicino a Giove possa essere spostata di diversi millesimi di arcosecondo a causa della gravità del pianeta, Gaia non si basa su un singolo scatto. Invece, osserva ogni stella migliaia di volte nell'arco di diversi anni. I ricercatori volevano sapere se questi grandi spostamenti momentanei avrebbero rovinato la posizione finale media della stella nel catalogo, o se l'enorme numero di osservazioni le avrebbe annullati. Hanno anche indagato se gli effetti relativistici di pianeti più piccoli, come la Terra o Saturno, fossero abbastanza significativi da richiedere l'inclusione nei calcoli, o se fossero troppo piccoli per contare. Per trovare la risposta, non hanno esaminato dati reali di telescopi, che sono sempre mescolati con altri errori, ma hanno invece creato un universo simulato perfetto.

Utilizzando un sofisticato strumento software progettato per simulare la missione Gaia, il team ha generato un catalogo virtuale contenente un milione di stelle con posizioni perfette e note. Hanno poi simulato il processo di osservazione di queste stelle durante un periodo di cinque anni, creando un dataset che includeva tutti i noti effetti relativistici, come la curvatura della luce causata dal Sole e dai pianeti giganti, nonché i sottili spostamenti causati dal moto del veicolo spaziale stesso. Questo ha servito come loro "verità". Successivamente, hanno fatto passare i dati attraverso il software di analisi, ma questa volta hanno deliberatamente rimosso parti specifiche del modello relativistico. In un set di test, hanno ordinato al computer di ignorare la deviazione della luce causata da Giove. In un altro, hanno ignorato gli effetti di Saturno, Urano o persino della Terra. Hanno anche testato cosa sarebbe successo se avessero ignorato la parte relativistica dell'aberrazione, ovvero lo spostamento apparente della posizione di una stella causato dalla velocità dell'osservatore che si muove attraverso lo spazio. Confrontando i risultati di questi modelli "incompleti" con la verità nota, potevano misurare esattamente quanto errore venisse introdotto nelle posizioni finali delle stelle.

I risultati hanno rivelato una distinzione affascinante tra ciò che accade in un singolo momento e ciò che accade durante una lunga campagna. Quando i ricercatori hanno ignorato l'effetto di curvatura della luce del Sole, gli errori sono stati massicci e hanno influenzato quasi tutte le stelle del catalogo, confermando che la gravità del Sole deve sempre essere tenuta in considerazione. Allo stesso modo, ignorare la parte relativistica dell'aberrazione ha introdotto errori significativi ovunque. Tuttavia, la situazione è cambiata drasticamente quando hanno rimosso gli effetti dei pianeti. Quando il modello ignorava la gravità di Giove, gli errori erano effettivamente grandi per le poche stelle che passavano molto vicino a Giove nel cielo durante il periodo di osservazione. Ma per la stragrande maggioranza delle stelle, gli errori erano trascurabili. Poiché il veicolo spaziale osserva ogni stella da molte angolazioni diverse in cinque anni, i momenti in cui la stella è vicina a Giove vengono mediati con i molti momenti in cui è lontana. La posizione finale calcolata della stella rimaneva accurata, anche senza che il computer sapesse che Giove stava curvando la luce.

Lo studio ha dimostrato che per una missione con il livello di accuratezza attuale di Gaia, ignorare la deflessione della luce causata da Giove influenzerebbe negativamente solo una piccola frazione delle stelle, specificamente quelle i cui percorsi nel cielo le portano molto vicino al pianeta. Per Saturno, il numero di stelle colpite scende a solo pochi milioni su due miliardi osservate, e per Urano, Nettuno ed la Terra, il numero di stelle con errori rilevanti era così piccolo da essere effettivamente zero nella loro simulazione di un milione di stelle. I ricercatori hanno anche scoperto un effetto collaterale interessante della complessa matematica usata per elaborare i dati: quando il modello non tiene conto di un oggetto massiccio in una parte del cielo, gli errori possono propagarsi nel calcolo e creare deboli, inaspettati schemi di errore in parti completamente diverse del cielo. Questi errori "indiretti" sono causati dal modo in cui il software adatta la sua comprensione dell'orientamento del telescopio per compensare i dati mancanti, ma sono molto più piccoli degli errori diretti vicino al pianeta stesso.

La conclusione più importante è che l'estrema complessità dell'attuale modello relativistico, che tiene conto della gravità di ogni corpo maggiore noto, potrebbe essere più di quanto sia strettamente necessario per il catalogo finale. Sebbene il modello debba rimanere incredibilmente preciso per le singole osservazioni per evitare che gli errori si accumulino, la posizione media finale di una stella è sorprendentemente robusta. Il processo di mediazione inerente al design della missione agisce come un filtro naturale, smorzando le grandi distorsioni momentanee causate dai pianeti. Ciò suggerisce che per le missioni future che mirano a un'accuratezza ancora maggiore, gli scienziati potrebbero essere in grado di semplificare i loro calcoli. Potrebbero potenzialmente ignorare l'influenza gravitazionale di corpi più piccoli o più distanti senza compromettere la qualità della mappa stellare finale, a patto di sapere esattamente quante stelle sono disposti a vedere leggermente influenzate. L'articolo non sostiene che possiamo smettere di modellare la gravità interamente, ma mostra che l'universo è tollerante: il rumore di una singola curvatura momentanea è spesso messo a tacere dal coro di molte osservazioni, permettendo agli astronomi di vedere la vera forma del cosmo con maggiore chiarezza.