Come NU prof Wen-fai Fong ha risolto i più grandi misteri dell’universo

La professoressa Wen-fai Fong è nel suo ufficio nel campus di Evanston della Northwestern University. Foto per gentile concessione di Christian Elliott.

Seduta nel suo ufficio all’ultimo piano con vista sul lago Michigan a Evanston, Wen-fai Fong tira fuori il telefono e legge un testo criptico: “(Swift1075565) 13: 09: 36.41, 48: 37: 42.24; Err: 0,06 arcmin; Età: 4 m; l, b: 115, + 68,2. ”

Spam senza senso? Negativo. Per Fong, un assistente professore di astrofisica e astronomia alla Northwestern, è un messaggio denso di informazioni che le richiede di abbandonare tutto.

Il testo di avviso del satellite Swift della NASA significa che l’osservatorio orbitale ha rilevato un “gamma ray burst” – un’esplosione di radiazioni da una galassia lontana.

Scansiona rapidamente il testo, che include un “numero di trigger” che identifica lo scoppio, le coordinate celesti che ne indicano l’origine nel cielo, la precisione del rilevamento in minuti d’arco (un’unità di misura per angoli molto piccoli) e l’età di lo scoppio.

“Non puoi vedere [a gamma ray burst] senza un telescopio, perché viene da molto lontano “, ha detto Fong. “Ma è come una singola nuova stella nel cielo.” L’esplosione è incredibilmente luminosa per gli strumenti in grado di rilevare radiazioni gamma invisibili.

“Se avessi gli occhi a raggi gamma, illuminerebbe il cielo”, ha detto Fong.

Lo studio dei raggi gamma consente al laboratorio di Fong presso il Centro per l’esplorazione interdisciplinare e la ricerca in astrofisica (CIERA) della Northwestern di rispondere ad alcune delle più grandi domande della scienza sulle origini dell’universo. Quando queste fugaci esplosioni di radiazioni raggiungono la Terra, gli astronomi nel posto e nel momento giusti possono raccogliere informazioni sull’origine degli elementi pesanti dell’universo.

“È una domanda fondamentale per l’umanità sapere da dove provengono i metalli nel tuo orologio, macchina o computer”, ha detto Fong. “In astronomia, se comprendiamo quando vengono creati elementi pesanti nell’universo, possiamo iniziare a capire come si formano stelle e galassie nel tempo cosmico e l’arricchimento chimico dell’universo nel suo insieme”.

Solo cinque anni fa, gli astronomi dei raggi gamma hanno fatto un’importante scoperta: hanno fatto risalire le esplosioni alle collisioni di stelle di neutroni. Le stelle di neutroni sono i nuclei densi e massicci di stelle morte che hanno raggiunto la fine della loro durata di un miliardo di anni e sono morte in una supernova esplosiva.

Quando le stelle di neutroni in orbita si scontrano, le pressioni e le concentrazioni di neutroni sono così elevate che possono formarsi gli elementi più pesanti dell’universo: argento, oro, platino e uranio. Le fusioni di stelle di neutroni potrebbero essere l’unico modo in cui questi elementi vengono prodotti nell’universo e i lampi di raggi gamma sono un modo fondamentale per gli scienziati di saperne di più su di essi.

Fong è particolarmente interessato a brevi lampi di radiazioni gamma altamente energetiche della durata di due secondi o meno. Quando si verificano scoppi rilevabili – circa dieci volte all’anno – il team centrale di sette persone di Fong, composto da borsisti post-dottorato e studenti laureati, corre verso una stanza dei monitor dei computer del CIERA per attivare le osservazioni.

Ciò significa requisire a distanza telescopi in cima alle montagne come il Multiple Mirror Telescope Observatory in Arizona e dirigere gli operatori lì in modo che possano catturare antiche esplosioni di energia che arrivano esattamente in quel momento. È il momento di quella che Fong chiama “attività frenetica” al laboratorio.

“Sarebbe davvero bello se avessimo un sistema di allerta precoce”, ha detto Fong. “Queste cose viaggiano da miliardi di anni per raggiungerci e poi all’improvviso non ce ne accorgiamo”.

Il mistero dei raggi gamma

Quando Fong iniziò un dottorato di ricerca. programma di astronomia e astrofisica all’Università di Harvard dieci anni fa, nessuno sapeva cosa causasse i lampi di raggi gamma. Quel mistero l’ha portata allo studio dei transitori esplosivi, che sono esplosioni fugaci di radiazioni da “qualsiasi cosa esploda, o si scontra, o fa cose pazze nell’universo e cose che sono catastrofiche”, ha detto Fong.

“Indicami a un’esplosione e voglio scoprire cosa la sta causando”, ha aggiunto.

I satelliti militari statunitensi per il rilevamento della guerra nucleare controllati dal Los Alamos National Laboratory nel New Mexico hanno rilevato per la prima volta i lampi di raggi gamma nel 1960, ma è stato solo nel 2017 – quando Fong era un borsista postdottorato Hubble alla Northwestern – che una nuova struttura al Caltech ha risolto il mistero della loro origine.

Ha rilevato onde gravitazionali, increspature nello spazio e nel tempo prodotte da due stelle di neutroni in collisione, in una galassia lontana. Due secondi dopo, il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi ha visto un’esplosione di raggi gamma dal suo trespolo nell’orbita terrestre bassa, una prova conclusiva che quei lampi derivano da kilonovae, o fusioni di stelle di neutroni. Ma i misteri restano.

“Non sappiamo ancora molto su ciò che causa la fusione di due stelle di neutroni e da quali tipi di ambienti provengono”, ha detto Fong. “Ogni volta che vediamo un lampo di raggi gamma, impariamo di più su questo tipo speciale di sistema”.

Dopo che un breve lampo di raggi gamma si è rapidamente dissipato, il team di Fong osserva il bagliore residuo dell’esplosione: altre lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica (raggi X, onde radio o luce visibile) che raggiungono la Terra nelle ore o nei giorni seguenti. Hanno accesso su richiesta “bersaglio di opportunità” a telescopi lontani attraverso comitati di assegnazione che scelgono chi può accedervi quando – è una risorsa scarsa.

La sfida è ottenere più dati da quante più lunghezze d’onda il più rapidamente possibile, a seconda dei telescopi disponibili.

Il prossimo passo: la scientifica galattica. Fong e i suoi studenti investigatori estraggono i dati alla ricerca di indizi per comprendere l’età delle stelle di neutroni, le galassie che le ospitano e le stelle vicine. Si basano sulla spettroscopia a infrarossi, una tecnica che suddivide la radiazione in entrata in uno spettro delle lunghezze d’onda che lo compongono. Quando tracciate, le lunghezze d’onda corrispondono esattamente a diversi elementi. Utilizzando le lunghezze d’onda tracciate, gli scienziati possono dimostrare la composizione degli elementi pesanti prodotti dalle collisioni di stelle di neutroni.

Un futuro più diversificato per l’astronomia

Fong è cresciuto in una famiglia orientata alla scienza a Rochester, New York. Suo padre, medico, e sua madre, manager di Xerox, emigrarono da Hong Kong negli anni ’70. Una delle sue sorelle maggiori è una dottoressa e l’altra è una neuroscienziata.

“Mi sento come se fossi una specie di cavallo oscuro della famiglia a causa dell’astronomia”, ha detto Fong.

Crescere negli anni ’90 con una madre che lavorava per lunghe ore in un’azienda tecnologica e viaggiava spesso ha plasmato le sue aspirazioni d’infanzia.

In terza media, le fu assegnato un progetto di scienze astronomiche che mappava le fasi lunari per un mese. Ricorda con affetto ogni notte seduta sul suo vialetto guardando le stelle e disegnando la luna sul suo taccuino.

Al liceo e al college presso il Massachusetts Institute of Technology, ha gravitato verso la biologia e la fisica, quindi ha deciso di voler perseguire un dottorato di ricerca. in astronomia. Dopo due posizioni post-dottorato, ha ottenuto il suo attuale lavoro alla Northwestern.

Tra i laboratori di astronomia, il trucco di CIERA è raro: i ricercatori principali di Fong sono tutte donne.

“Vedere un gruppo di supporto di fantastiche donne ricercatrici è probabilmente eccitante”, ha detto Fong ai potenziali studenti della città. “Penso che sia un ciclo di feedback.”

Nota che anche il suo primo mentore di astronomia era una donna. Tuttavia, riconosce che le donne rimangono sottorappresentate sul campo. Secondo un rapporto decennale pubblicato lo scorso novembre, al Ph.D. livello, solo il 30% degli assistenti professori assunti di recente sono donne oggi, rispetto al 20% nel 2003. Gli asiatici americani, come Fong, costituiscono solo il 5% di tutta la facoltà di astronomia.

“Cerco di costruire questo ambiente collaborativo perché gli studenti non vorranno alzarsi nel cuore della notte a meno che tu non dia l’esempio, a meno che tu non sia lì con loro”, ha detto Fong.

Al college dell’Università del Connecticut, la studentessa laureata alla CIERA Jillian Rastinejad aveva solo professori di fisica maschi.

“I miei primi due anni ho davvero lottato”, ha detto. “In gran parte era la sindrome dell’impostore. Il mio primo anno, ho frequentato il mio primo corso di astronomia e ho avuto la mia prima professoressa, e lei mi ha fatto credere che ce l’avrei fatta. ”

Ora, ha un dottorato di ricerca del terzo anno. studente presso CIERA.

Quest’anno, Rastinejad ha fatto da mentore a una donna dell’ultimo anno di scuola superiore a Evanston attraverso il programma CIERA’s Research Experiences in the Astronomy. Ha insegnato agli studenti le basi della programmazione e dell’astronomia, cose che Rastinejad nota che non ha potuto studiare a quell’età. Ha anche lanciato una conferenza virtuale chiamata Data Science for Public Good per 40 liceali di tutto il mondo.

Anya Nugent, un dottorato di ricerca del quarto anno. studentessa del CIERA, ricorda di essere stata una delle poche donne astronomi e studenti di fisica al college. Il team di Fong è stato uno dei motivi principali per cui ha scelto di studiare alla Northwestern.

“Una volta che hai un gruppo di persone che capiscono da dove vieni e che probabilmente hanno attraversato le stesse lotte che hai affrontato tu, aiuta davvero con la sensazione della comunità e mi sento più fiducioso nella mia ricerca”, ha detto Nugent . .

Un nuovo occhio nel cielo

Dopo anni di ritardi, il dic. Il 25, 2021, la NASA ha lanciato il telescopio spaziale James Webb da 10 miliardi di dollari a quasi un milione di miglia dalla Terra. Dal suo punto di osservazione in orbita attorno al sole, il nuovo telescopio lungo 70 piedi dovrebbe essere in grado di rilevare la luce delle prime stelle dell’universo, di circa 14 miliardi di anni.

Quando Fong ha lavorato come borsista post-dottorato presso lo Steward Observatory dell’Università dell’Arizona nel 2014, conosceva i membri degli strumenti di team building per il progetto.

“Come comunità di astronomia, non ho mai visto nessun altro satellite che tutti non vedono l’ora di lanciare”, ha detto.

La sensibilità senza precedenti del telescopio James Webb e i sensori nel vicino infrarosso consentiranno al team di Fong di vedere lampi di raggi gamma più deboli più a lungo e di migliorare la spettroscopia infrarossa delle fusioni di stelle di neutroni, o kilonovae, che li causano.

In questo momento, l’identificazione degli elementi prodotti dalle kilonovae si basa fortemente sulla modellazione al computer. Fong la definisce una “domanda del Santo Graal” a cui il telescopio potrebbe rispondere meglio per il suo campo.

“James Webb è in grado di guardare molto, molto in profondità nel cielo, a profondità che nemmeno il telescopio spaziale Hubble è in grado di raggiungere”, ha detto Rastinejad. “Ci permetterà di vedere parti delle kilonovae che prima non eravamo in grado di osservare”.

Successivamente, Fong girerà la sua lente da detective verso un nuovo mistero di esplosioni radio veloci – esplosioni transitorie a bassa energia ripetute meno conosciute all’estremità opposta dello spettro elettromagnetico rispetto ai raggi gamma. Le teorie attuali attribuiscono questi misteriosi segnali radio a singole stelle di neutroni, buchi neri in collisione e persino trasmissioni di astronavi aliene.

“I lampi radio veloci sono ciò che i lampi di raggi gamma erano dieci anni fa”, ha detto Fong.

Il telescopio James Webb consentirà al team di Fong di caratterizzare meglio le galassie ospiti delle esplosioni radio veloci e potenzialmente risolvere il mistero della loro origine.

È stata anche felice di vedere il suo campo evidenziato come una direzione importante per l’astronomia nell’indagine decennale.

“L’astrofisica nel dominio del tempo, fenomeni che cambiano di luminosità nel tempo come lampi di raggi gamma e lampi radio veloci, sono le massime priorità”, ha affermato. “Hanno anche formulato raccomandazioni per aumentare i finanziamenti delle sovvenzioni agli investigatori attraverso la NSF, il che sarebbe fantastico per supportare gruppi come il mio. Nel complesso, è un risultato fantastico per il campo in cui mi trovo. ”

Miniatura per gentile concessione di Christian Elliott.

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