Partnership
Dal SETI Italiano
la difesa da Deep Impact (e molto altro)
di Bruno Moretti Turri IK2WQA
Member of: TeamSETI of SETI Institute, IARA, SETI Italia G. Cocconi, SdR Radioastronomia UAI
N.B.: con un testo molto simile e il titolo "Utilità del SETI e del calcolo distribuito"
questo articolo è stato pubblicato su "Astronomia" UAI numero 6/2006 pag. 28-31
Astronomy and Astrophysics Abstracts
This paper describes SETI and RFI-Free Radioastronomy from the Farside of the Moon, SETI
and Planetary Defense from NEO Impact, SETI@home and distributed computing evolution:
KLT (Karhunen-Loève Transform) and SonATA (SETI on Allen Telesope Array) project.
Esiste qualche cosa di più difficile della ricerca di un ago in un pagliaio?
SETI, acronimo di Search for Extra Terrestrial Intelligence, ricerca di intelligenza extraterrestre, è un
campo scientifico estremamente affascinante consistente nell'esplorazione del cielo nella speranza
di intercettare segnali elettromagnetici (radio: Radio-SETI, laser: Optical-SETI, ecc.) aventi
caratteristiche indubbiamente artificiali, generati da eventuali civiltà aliene che hanno raggiunto un
grado di conoscenza scientifica e di sviluppo tecnologico in grado di produrli. Si tratta di una ricerca
estremamente difficile, a causa delle enormi distanze in campo e la fisica ci insegna che la potenza
di un segnale elettromagnetico diminuisce con l’inverso del quadrato della distanza. Ciò significa che
un segnale proveniente da una distanza superiore alla sensibilità relativa dei nostri ricevitori sarebbe
"invisibile" perchè si perderebbe nel noise (rumore di fondo), così come una stella troppo fioca è
invisibile ai nostri più potenti strumenti ottici perchè si perde nel "buio di fondo".
A complicare la ricerca SETI ci sono molti altri pesanti fattori: il segnale può arrivare da qualunque
direzione, in qualunque momento temporale (ed essere ricevibile per pochi secondi) e, virtualmente,
su qualunque frequenza del vastissimo spettro elettromagnetico che va dalle onde radio all'ultravioletto.
Insomma: come cercare un ago in milioni di pagliai.
La ricerca SETI è dunque inutile?
Trascurando coloro che rispondono affermativamente per narcisistico/superstizioso pregiudizio
fondamentalista antropocentrico, sono in molti, anche in campo scientifico, a ritenere, per le ragioni
suddette, che SETI è una inutile perdita di tempo, una ricerca “impossibile”.
In realtà occorre partire dal presupposto che SETI è ancora in una fase molto pionieristica.
All'umanità sono stati necessari diversi secoli dalla formulazione dell'ipotesi dell'esistenza di altri mondi
da parte di Niccolò Cusano (1440) e Giordano Bruno, dal cannone-occhiale di Galileo alla scoperta
(indiretta) dei primi pianeti extrasolari (l’individuazione di 51 Pegasi è datata 1995).
SETI è oggi ancora al livello del cannone-occhiale di Galileo.
SETI è un “bebè” che ha ancora bisogno di molte cure per crescere: potenziamento quantitativo e
qualitativo degli strumenti (antenne e ricevitori criogenici, realizzazione progetto SKA, Square Kilometre
Array al quale partecipa anche il nostro Paese), radioastronomia RFI-free (libera da radio interferenze
umane) con la costruzione di un radiotelescopio sulla faccia nascosta della Luna (Lunar Farside Radio
Lab, studio dell'Accademia Internazionale di Astronautica), affinamento delle tecniche e miglioramento
degli algoritmi matematici di rilevamento dei segnali al limite del noise (KLT versus FFT, ne parleremo
più avanti).
In una Galassia costituita da oltre 200 miliardi di stelle, che possiede sicuramente almeno un sistema
planetario (il nostro) abitato da esseri viventi (noi) che producono segnali elettromagnetici,
"sarebbe davvero avventato presumere che in nessun altro luogo dell'Universo la Natura abbia
ripetuto lo strano esperimento che ha compiuto sulla Terra" (Arthur Stanley Eddington).
D'altra parte, come ebbero a sottolineare l'italiano Giuseppe Cocconi e lo statunitense Philip Morrison
a suggello del loro storico articolo “Cercando comunicazioni interstellari” [1], atto di nascita del SETI:
"La probabilità di successo è difficile da stimare; ma se noi non cerchiamo mai,
la possibilità di successo è zero."
Fino ad ora "Noi non abbiamo ancora trovato nessun alieno, ma, sul lungo periodo,
io sono ottimista. I Terrestri stanno solo imparando come trovarlo."
dice Dan Werthimer, direttore scientifico di SETI@home.
Ma la ricerca e gli studi SETI si sono già rivelati utili all'umanità
Indirettamente, per effetto di quella che gli anglosassoni chiamano serendipity.
Serendipità è un termine che incomincia a prendere piede anche nel nostro vocabolario e indica il
"cercare una cosa e trovarne un'altra, totalmente diversa e non prevista".
Esempio tipico: cercare una via per le Indie navigando verso occidente e trovare l'America (Colombo
docet). Oppure (Fleming docet) studiare gli strani esserini presenti nei formaggi “puzzolenti” e
scoprire la penicillina, madre di quegli antibiotici che ci consentono di non crepare per una
bronchitella. Per non parlare dell’oceano di figli “imprevisti” generati dalle Equazioni di Maxwell:
dalla radio ai telefonini, dai raggi X alla TAC, ecc.
La serendipità ha funzionato anche con il SETI e, come negli esempi citati, in un campo totalmente
inaspettato e che nulla ha a che vedere con la ricerca di ET: trovando gli strumenti pratici e le basi
teoriche per risolvere elegantemente il problema di capitale importanza della difesa planetaria
dagli impatti asteroidali, come ora andremo a dimostrare.
Riferimento [4] dal sito del progetto SETI Italia dell'IRA-INAF di Medicina (Bologna), file .pdf
5,14 MB di articolo pubblicato su Acta Astronautica, organo ufficiale dell’International Academy
of Astronautics
“Planetary Defense from the Nearest 4 Lagrangian Points plus RFI-Free Radioastronomy
from the Farside of the Moon: A Unified Vision”
Nell'utilizzo normale delle onde radio non esiste la necessità di ricevitori ultra selettivi a banda
strettissima e nella radioastronomia convenzionale si usano ricevitori a banda molto larga perchè essa è
finalizzata allo studio di fenomeni naturali.Sono stati esclusivamente gli scienziati dediti a Radio-SETI
a progettare e realizzare ricevitori criogenici ultra selettivi a banda strettissima dotati di milioni di canali
necessari alla ricerca dei segnali di ET, il loro “ago nel pagliaio”.
Risultato serendipitous: con il ricevitore del progetto SETI Italia installato in parallelo alla parabola VLBI
da 32 metri dei radiotelescopi di Medicina (Bologna) siamo in grado di rilevare l'eco-radio di un bullone
da 2 centimetri di diametro alla distanza dell'orbita geostazionaria: 36.000 Kilometri!
Ciò significa che noi oggi possiamo utilizzare le tecniche radar-astronomiche accoppiate ai ricevitori
SETI sia per localizzare satelliti artificiali “persi” perché finiti fuori orbita per avarìa, sia per
monitorare gli asteroidi NEO (Near Earth Object), potenzialmente pericolosi perchè dotati di orbite che
transitano molto vicine a quella della Terra e quindi potrebbero un domani impattare contro il nostro
pianeta. Siamo sicuramente molto grati all'asteroide che 65 milioni di anni fa, cadendo su Chicxulub
(Yucatan), ha molto probabilmente provocato l'estinzione di massa dei grandi rettili ergo favorito
l'evoluzione di noi mammiferi, ma vediamo di non fare la fine dei dinosauri!
Calcola l'effetto dell'impatto: Earth Impact Effects Program (in inglese)
Già, ma se un grosso asteroide ci viene addosso cosa facciamo?
Sparargli contro dei missili a testata nucleare lanciati dalla Terra è la soluzione indicata dai film di
fantascienza. Soluzione troppo semplicistica perchè frantumerebbe forse l'asteroide senza deviarlo, o
deviandolo troppo poco, dalla sua rotta di collisione con il nostro pianeta.
La soluzione definitiva è colpire l'asteroide il più possibile perpendicolarmente rispetto alla sua
traiettoria, provocandone una forte deviazione.
Facile a dirsi. Ma a farsi?
Per nostra fortuna c'è chi, studiando appassionatamente soluzioni fortemente innovative [3] per le
problematiche SETI e aggiungendoci un po' di serendipità matematica e di genio italiano,
ha risolto il problema.
Non è questo il luogo per dipanare la questione nei suoi dettagli più fini, ergo ci limiteremo ai sommi capi
di una problematica che merita di uscire dalla ristretta cerchia degli specialisti e di essere conosciuta
dal grande pubblico.
Protagonista è il fisico-matematico torinese Claudio Maccone, co-vice-chair del Gruppo di Studio
Permanente SETI dell'Accademia Internazionale di Astronautica (IAA) e collaboratore di Stelio
Montebugnoli nel progetto SETI Italia di Medicina (BO). Per conto dell’IAA Claudio Maccone si occupa da
anni del progetto Lunar Farside Radio Lab [4] che prevede la costruzione di un radiotelescopio sulla
faccia nascosta della Luna, permettendo una ricerca SETI e radioastronomica RFI-free cioè libera da
interferenze radio (RFI, Radio Frequency Interference) terrestri e satellitari perché radio-schermata
(radio Quiet Cone, vedi Fig. 1) dal corpo del nostro satellite rispetto al nostro pianeta e ai satelliti
geostazionari (in gamma radio l’inquinamento RFI è l’equivalente dell’inquinamento luminoso
in gamma ottica).
Fig. 1 - Evidenzia il radio Quiet Cone ove si calcola un abbattimento della RFI > 180 dB
L’assenza lunare di atmosfera permette inoltre di allargare lo studio a tutte le frequenze (al di sotto di
15 MHz circa) non accessibili ai radiotelescopi terrestri in quanto riflesse dalla nostra ionosfera e,
quindi, oggi praticamente sconosciute a radioastronomia e SETI.
Fig. 2 - Ubicazione del cratere Daedalus al centro del radio Quiet Cone, luogo ideale
per un radiotelescopio totalmente RFI-free (IAA Lunar Farside Radio Lab)
Lo studio di Claudio Maccone ha portato alla scelta del cratere Daedalus perché si trova agli antipodi
della Terra (vedi Fig. 2) e quindi al centro del radio quiet-cone (cono di radio quiete) selenico
(vedi Fig. 1), ove si calcola un abbattimento della RFI superiore a 180 dB. Avendo un diametro di
circa 80 Km, Daedalus permetterà la realizzazione di un grande radiotelescopio lunare internazionale
che in futuro prenderà il posto degli strumenti terrestri sempre più “accecati” dal crescente
inquinamento da RFI, così come il crescente inquinamento luminoso ha costretto i telescopi ottici
a rifugiarsi nel deserto di Atacama, alle Hawaii et similia.
Fig. 3 - I punti Lagrangiani del sistema gravitazionale Terra-Luna
Ovviamente tutto ciò è possibile solo se, come l’Antartide, la faccia nascosta della Luna e i punti di
equilibrio gravitazionale, cioè i punti Lagrangiani, del sistema Terra-Luna (soprattutto L2, vedi Fig. 3)
sono fin d’ora dichiarati protetti da attività speculative terrestri. E’ proprio studiando l’importanza dei
punti Lagrangiani per Lunar Farside Radio Lab che Claudio Maccone ha trovato la sua soluzione
matematica della difesa planetaria da asteroidi pericolosi.
Fig. 4 - Grafico che illustra il concetto di "ellissi e iperboli confocali"
Esponiamo anzitutto in termini semplici il “teorema delle coniche confocali”: data una famiglia di ellissi
confocali ed una famiglia di iperboli confocali (cioè due famiglie di coniche, che abbiano tutte quante
in comune gli stessi fuochi, vale a dire i due “pallini” in neretto nella Fig. 4) allora ognuna delle ellissi
incrocia ognuna delle iperboli formando quattro angoli retti.
Per la non banale dimostrazione matematica rimandiamo a [4].
Fig. 5 - Il progetto Maccone per la difesa della Terra dai NEO
Dato che un asteroide in rotta di collisione con la Terra avrebbe un'orbita iperbolica (rispetto alla Terra,
non certo rispetto al Sole!), dei missili pronti in una base spaziale collocata in un punto Lagrangiano
(ad esempio L3. Vedi Fig. 3) e sparati su un'orbita ellittica confocale all'orbita iperbolica dell'asteroide,
arriverebbero da direzione ortogonale all'obiettivo e colpirebbero ortogonalmente l'asteroide garantendo
così la massima deflessione possibile del "nemico".
Per dovere di precisione va sottolineato che sia l’iperbole dell’asteroide, che l’ellisse del missile
deflettore, si trovano nel piano Terra-Luna-Asteroide, il quale comprende pure la retta Terra-Luna e
quindi pure i due punti Lagrangiani L1 ed L3 (vedi Fig. 3) del sistema Terra-Luna,
dove verranno installate le due basi spaziali con i missili pronti.
Questa guerra “uomo contro pietre volanti” sarebbe l’unica guerra degna di essere combattuta.
E le armi relative sarebbero le uniche degne di essere chiamate “intelligenti”.
Perché risparmierebbero agli Homo Sapiens una ingloriosa fine da dinosauri.
E tutto ciò grazie alla tanto snobbata “inutile perdita di tempo”: la ricerca SETI!
Anche se non ha ancora trovato nessun ago di “omini verdi” nei suoi pagliai,
SETI, la ricerca “impossibile”, grazie ai suoi fecondi “effetti collaterali” di serendipità
si sta quindi rivelando molto utile.
E SETI ha regalato alla Scienza anche un altro importante strumento ad alto valore aggiunto:
il distributed computing (calcolo distribuito).
SETI e distributed computing
Nel dicembre 1994, durante un party natalizio a Seattle, David Gedye e Craig Kasnoff discorrevano su
come realizzare l’elaborazione delle registrazioni SETI nelle frequenze radio, che richiede enormi
capacità di calcolo, con pochi fondi e, quindi, senza alcuna possibilità di avere supercomputer dedicati.
Quel giorno nacque SETI@home e il concetto stesso di calcolo distribuito, basato sul vecchio,
ma sempre valido, principio dell’unione che fa la forza.
L’idea era di coinvolgere migliaia di volontari intenzionati a mettere a disposizione del progetto il
surplus inutilizzato di potenza di calcolo dei propri personal computer, realizzando, di fatto,
il più grande computer virtuale del mondo.
Tutti noi usiamo un computer per un certo numero di ore al giorno, consumando una certa quantità di
energia elettrica, ma utilizzando solo una parte della sua grande capacità di calcolo e sprecando
la parte restante.
SETI@home è stata la prima iniziativa volta al recupero di questo spreco di energia elettrica per
rendere possibili ricerche scientifiche “cenerentole” che necessitano di un’enorme capacità di calcolo,
altrimenti irrealizzabili per mancanza di fondi.
Sull’onda del successo di SETI@home (vi hanno aderito oltre 5 milioni di persone in tutto il mondo,
oltre 150.000 in Italia) molte università e centri di ricerca hanno dato vita a molti altri progetti di
calcolo distribuito nel campo della ricerca medica e degli studi di biologia molecolare, dei genomi e
delle proteine, finalizzati all’acquisizione di conoscenze per contrastare efficacemente molte malattie
degenerative (tumori, leucemie, sclerosi, ecc.) [5], studi per l’ottimizzazione degli acceleratori di
particelle (LHC, Large Hadron Collider del CERN di Ginevra), nonché progetti per la realizzazione di
modelli di previsione climatologica a lungo periodo.
Per facilitare gli utenti del calcolo distribuito lo staff SETI@home dell’Università della California a
Berkeley ha messo a punto BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing) un’unica
piattaforma informatica che permette la partecipazione a diversi progetti contemporaneamente.
Tutto questo offre la possibilità a chiunque abbia un computer e una connessione Internet di partecipare
alla ricerca scientifica in collaborazione con i più prestigiosi centri di ricerca e università del mondo.
Tutti (anche se hanno la III media) possono dare il proprio, anche minimo, contributo all’esplorazione dei
confini della conoscenza umana e al loro allargamento, cosa che molti di noi hanno sempre solo
sognato di poter fare e che oggi Internet rende possibile realizzare da casa propria.
Il calcolo distribuito ha quindi assunto un formidabile ruolo e valore culturale, filosofico, sociale e
pedagogico perché porta la Scienza dalla turris eburnea (torre d’avorio) degli “iniziati” che hanno avuto la
possibiltà, la fortuna e il privilegio di diventare scienziati, alla partecipazione sociale alla ricerca
scientifica di milioni di persone, perché avvicina milioni di giovani alla cultura razionale e scientifica.
E in un mondo infestato di mostri e mode irrazionali, grandi fratelli, oroscopi, fondamentalismi, omeopatie,
urinoterapie, new age, UFOti e chi più ne ha più ne metta, solo il cielo sa se ce n’è bisogno! [6] [7]
SETI ITALIA: una rivoluzione chiamata KLT
D’altra parte, se la Scienza fa bene al “movimento” del calcolo distribuito,
il calcolo distribuito fa bene alla Scienza.
L’evoluzione dei personal computer (hardware) prodotta dall’industria e l’ottimizzazione dei programmi
(distributed computing software client) prodotta dalla partecipazione di molti alpha e beta tester e
programmatori volontari permettono oggi prestazioni incredibili solo pochi anni fa e consentono di
preparare ulteriori balzi in avanti un tempo ritenuti inimmaginabili.
Alludiamo alla necessità non più rinviabile di aggiornamento degli algoritmi matematici impiegati in SETI
per il rilevamento dei segnali al limite del noise.
In SETI si usa attualmente la FFT (Fast Fourier Transform, trasformata rapida di Fourier).
Claudio Maccone (eh sì, ancora lui!) che è un raffinato matematico,
propone da anni di utilizzare la KLT (Karhunen-Loève Transform, trasformata di Karhunen-Loève).
Affrontiamo il problema in termini divulgativi e molto semplificati, rimandando per la lunga e complicata
dimostrazione matematica a [2].
Ai fini SETI quali sono le differenze fra FFT e KLT?
1) La FFT si serve solo di segnali sinusoidali per “scomporre” un segnale qualunque. Invece la KLT
effettua una scomposizione molto più accurata di qualunque segnale+rumore calcolando di volta
in volta quei segnali “elementari” che sono più consoni alla scomposizione del caso studiato.
Il risultato è che la KLT riesce a rivelare segnali assai più deboli di quelli che la FFT può rilevare.
2) La FFT rileva solo segnali a banda stretta, mentre la KLT rileva i segnali indipendentemente
dalla larghezza di banda
3) Nell’elaborazione la FFT è molto rapida, mentre la KLT (non esistendo una Fast KLT)
richiede tempi molto più lunghi.
Quindi la FFT rileva solo segnali presunti sinusoidali e presunti a banda stretta, ma noi non sappiamo
che tipo di segnali usa ET e se ET impiega segnali non sinusoidali a banda larga
la FFT non li intercetterà MAI!
La superiorità della KLT sulla FFT in SETI è fuori discussione.
Il grosso scoglio è rappresentato dal punto 3 cioè dalla “pesantezza computazionale” della KLT che
fino ad ora ha portato all’esclusione del suo impiego.
Ora è giusto riproporre la questione perché l’espansione enorme delle capacità di calcolo fornite
dal distributed computing, dall’evoluzione dell’hardware e dei software client fornisce la potenza
necessaria per passare alla KLT.
Un solo esempio che riteniamo assai illuminante: la prima unità di lavoro (work unit) che l’Autore ha
elaborato da beta tester di SETI@home nel 1999 ha richiesto 80 (ottanta!) estenuanti ore/computer.
Oggi lo stesso lavoro si fa in meno di 2 ore.
Poiché grazie a Stelio Montebugnoli e ai suoi meravigliosi “ragazzi dei radiotelescopi di Medicina”
la KLT è già stata implementata nel SETI Italia, è ora che tale algoritmo venga utilizzato
anche in SETI@home.
Il passaggio alla KLT si configura come una evoluzione matematico-“darwiniana” del SETI
particolarmente necessaria soprattutto in vista dell’entrata in funzione per la fine del decennio
di ATA (Allen Telescope Array) [11] che il SETI Institute sta costruendo nel nord della California,
primo strumento espressamente progettato per SETI e che con 350 parabole da 6 metri di
diametro avrà una SETI-sensibilità 10 volte superiore al radiotelescopio di Arecibo attualmente
impiegato da SETI@home (1.000 anni luce contro 100).
Abbiamo il dovere di prepararci bene a questo balzo in avanti.
Perché come dice Frank Drake [8], il radioastronomo iniziatore del SETI:
"Il nostro ago nel pagliaio è sfuggente, ma molti di noi hanno la sensazione che
cercarlo sia una delle più grandi imprese che la nostra specie possa affrontare." [9]
“I mondi poi sono infiniti,
sia quelli uguali al nostro sia quelli diversi;
poichè gli atomi, che sono infiniti […],
percorrono i più grandi spazi.
Non vengono esauriti infatti tali atomi,
dai quali ha origine o viene costituito un mondo,
né da uno solo né da un numero finito di mondi […];
di modo che niente si oppone
a che i mondi siano infiniti.”
Epicuro, Epistula ad Herodotum [10]
Riferimenti bibliografici
[1] Giuseppe Cocconi and Philip Morrison, Searching for Interstellar Communications, Nature, Vol. 184,
Number 4690, pp. 844-846, September 19, 1959 (ver. it.: Cercando comunicazioni interstellari)
[2] Claudio Maccone, Telecommunications, KLT and Relativity, IPI Press,
ISBN 1-880930-04-8, 1994
[3] Claudio Maccone, The Sun as a Gravitational Lens: Proposed Space Missions, IPI Press,
ISBN 1-880930-13-7, 2002
[4] Claudio Maccone, Planetary Defense from the Nearest 4 Lagrangian Points plus RFI-Free
Radioastronomy from the Farside of the Moon: A Unified Vision,
Acta Astronautica Vol. 50, Number 3, pp. 185-199, 2002
[5] Bruno Moretti Turri, Scienza vera per tutti con il calcolo distribuito,
Le Stelle, Numero 4, pp. 76-80, Febbraio 2003
[6] Carl Sagan, Il mondo infestato dai demoni. La Scienza e il nuovo oscurantismo,
Baldini&Castoldi, 1996
[7] Carl Sagan, The Demon-Haunted World. Science as a Candle in the Dark, 1996
[8] Frank Drake, Project Ozma, Physics Today, 14 (1961), pp. 40 sgg.
(ver. it.: Reminiscenza del Progetto Ozma)
[9] Frank Drake, The Search for Extraterrestrial Intelligence, Astronomical Society of the Pacific,
San Francisco 1988
[10] Epicuro, Epistula ad Herodotum, 45, 3 sgg. (trad. it. in Opere, pag. 42, Einaudi, Torino 1973)
[11] Bruno Moretti Turri IK2WQA, ATA-350: un gigantesco balzo in avanti per SETI,
relazione presentata a ICARA, Italian Congress Amateur Radio Astronomy, Caltanissetta 2006
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