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Metodi efficienti per l'analisi di dati astrofisici

Un gruppo del laboratorio Segnali e Immagini dell'ISTI-CNR partecipa dal 1999 allo studio delle tecniche di analisi dati per Planck, la missione cosmologica dell'Agenzia Spaziale Europea che dal maggio 2009 sta osservando l'universo con lo scopo di misurare con un'accuratezza mai raggiunta la radiazione di fondo cosmico a microonde. L'enorme quantità di dati da analizzare richiede procedure e sistemi di calcolo estremamente efficienti. Alcune delle procedure proposte dal gruppo CNR sono pienamente operative al centro elaborazione dati Planck di Trieste.
Le osservazioni radiometriche da satellite per gli studi sul fondo cosmico a microonde si presentano come mappe multicanale di tutto il cielo, in cui la radiazione di fondo appare contaminata, spesso fortemente, dalle radiazioni provenienti da diverse sorgenti, poste sia nella nostra galassia che nello spazio extragalattico. quando le misure sono estrememente sensibili, separare queste diverse componenti diventa essenziale. È questo il caso con i dati della missione Planck, che hanno una risoluzione in temperatura di pochi milionesimi di grado e coprono nove canali frequenziali, dai 30 agli 857 GHz.
La missione Planck impegna centinaia di scienziati da decine di istituzioni in tutto il mondo. Il satellite trasporta un telescopio, fornito dal Centro Spaziale Nazionale danese, sul cui piano focale sono posizionati due strumenti. Il primo, prodotto da un team guidato dall'INAF-IASF di Bologna, è un radiometro a tre canali, mentre il secondo è un sensore bolometrico a sei canali sotto la responsabilità dell'Istituto di Astrofisica Spaziale di Orsay, vicino Parigi. Il satellite è stato lanciato il 14 maggio 2009 dalla base spaziale europea di Kourou, nella Guiana Francese, ed è in grado di acquisire dati almeno fino alla fine del 2011.
Studiare le piccole inomogeneità della radiazione di fondo cosmico a microonde è fondamentale per capire molte cose sull'origine e l'evoluzione dell'universo. Poiché il problema di separare le diverse radiazioni misurate è di importanza cruciale per gli obiettivi scientifici di Planck, molti gruppi si sono dedicati al suo studio. Tra questi, quello di Pisa è attivo sin dalla prima riunione plenaria di Planck, tenuta a Capri nel 1999.
Poiché manca un modello matematico sufficientemente accurato dei dati a disposizione, il nostro gruppo è partito assumendo che questo andasse stimato insieme agli altri risultati richiesti. Questo tipo di approccio è detto "separazione cieca delle sorgenti" e, in mancanza di un modello dati, richiede che venga introdotta informazione sul risultato. Una possibile scelta, quella da cui siamo partiti, è quella di assumere che le diverse radiazioni siano statisticamente indipendenti l'una dall'altra. Negli anni successivi, abbiamo sviluppato tecniche più specifiche, che rinunciano alla completa indipendenza per includere nel problema informazione che è disponibile ma non può essere sfruttata dalle tecniche di separazione puramente cieche. In particolare si è sfruttata la struttura spaziale di sui sono dotati i diversi segnali misurati. Poiché nell'analisi di dati scientifici è sempre necessario conoscere il grado di incertezza dei risultati, abbiamo anche sviluppato dei metodi accurati per la stima dell'errore. Le tecniche computazionali adottate sono diverse, da veloci strategie di ottimizzazione a punto fisso ad approcci pienamente bayesiani, accurati ma numericamente molto complessi. Anche algoritmi efficientissimi necessitano di supercomputer per trattare i dati di Planck (una singola mappa a tutto cienlo può contenere anche cinquanta milioni di elementi). Questo è il motivo per cui i centri di elaborazione dati Planck di Trieste e Parigi sono attrezzati con macchine molto veloci e potenti, e solo le procedure più veloci sono entrate a far parte dell'elaborazione dati di routine.
Nonostante questo, prosegue lo studio dei più sofisticati metodi bayesiani, per i potenziali vantaggi da essi offerti in termini di flessibilità, accuratezza nei risultati e nella stima dell'errore, e possibilità di inclusione di informazione aggiuntiva eventualmente disponibile. La complessità delle nuove versioni che siamo sviluppando va comunque a diminuire, e ciò lascia sperare che queste tecniche possano presto essere applicate a grandi insiemi di dati. In ogni caso, le possibiltà che offrono potranno permettere di effettuare analisi molto accurate su almeno parte delle misure a disposizione.
In questi anni, il gruppo di Pisa ha collaborato con diversi altri gruppi Planck, specialmente alla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste, all'Osservatorio Astronomico di Padova, e con l'Istituto di Fisica di Cantabria a Santander, in Spagna. Alcune delle tecniche proposte sono poi state studiate nel quadro della rete di eccellenza europea MUSCLE (Multimedia Understanding through Semantics. Computation, and Learning), in collaborazione con un gruppo del Trinity College di Dublino. La rete MUSCLE (2004-2008) è stata gestita dall'ERCIM, il consorzio europeo di matematica e informatica, di cui il CNR è membro.
(Planck: il cocktail cosmico è servito http://www.youtube.com/watch?v=-vD-_OqoF4A) - Emanuele Salerno.

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