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Il bilancio totale dell’INAF, e più in generale dell’astrofisica in Italia associata ad INAF, negli ultimi 10 anni è circa raddoppiato, mentre il Fondo di Funzionamento Ordinario (FFO) INAF è aumentato di circa il 40%.

Nella figura contribuiscono al bilancio totale, l’FFO INAF, altri fondi INAF che includono fondi dal MUR, da ASI, ESA e dalla Commissione Europea, il finanziamento di ESO da parte del MAECI e i fondi per i progetti SKA e CTA ottenuti attraverso l’Astronomia Industriale prima e il DM 450/2019 dopo. Il finanziamento ESA tramite MAECI dal 2021 include anche il finanziamento per ELT. A partire da quest’anno e fino al 2026 ci sarà una ulteriore grande iniezione di fondi grazie al PNRR, più di 170 MEUR in totale grazie al finanziamento dei progetti STILES, HPC, CTA+, Croce, EMM, Space-it-up e altri (fonti: decreti di assegnamento fondi del MUR, Piani Triennali INAF, Report Annuali ESO, DM450/2019). 

La tabella e l’istogramma che seguono mostrano la distribuzione dei “fondi etichettati”, destinati al supporto di programmi e progetti nel quinquennio 2019-2023, in MEUR, come compaiono nei Piani Triennali INAF. I fondi SRT includono anche il PON 2018-2022 PIR01_00010.

ESO – ELT	153.9
SKA e precursori	55
SRT	39.7
CTA, Astri	31.5
Ricerca di base	29.4
LBT	15.2
TNG	14.1

E’ naturale chiedersi quale sia il ritorno scientifico per la comunità INAF e italiana in generale da questi investimenti. 

I punti di debolezza e di forza di INAF e associati (INAF semplicemente nel seguito) circa i lavori di punta sono discussi in:

Quali sono gli argomenti astrofisici di punta degli ultimi cinque anni?

Nel seguito analizzo tutta la produzione scientifica di INAF negli ultimi 5 e 10 anni, senza ordinarla per impatto. 

La tabella che segue mostra il numero di lavori referati e il numero di citazioni in ADS con il nome dell’osservatorio o strumento presente nell’abstract.  La tabella include sia il numero totale di lavori e citazioni per osservatorio/strumento negli ultimi 10 e 5 anni, sia il numero relativo di lavori che includono la partecipazione di almeno un ricercatore INAF. L’ultima colonna della tabella fornisce il numero di autori unici INAF presenti nei lavori degli ultimi 5 anni per ciascun osservatorio/strumento.

Il dato di JWST si deve considerare parziale, dato che i primi lavori scientifici risalgono alla seconda parte del 2022 e quindi includono solo 3 anni invece dei 5 coperti dagli altri osservatori/strumenti.

Osservatorio o strumento	Papers 10 Year	Citations 10 years	Papers 10 year  INAF	Citations 10 year INAF	Papers 5 year	Citations 5 year	Papers 5 year INAF	Citations 5 year  INAF	INAF 5 year Authors
ESO-VLT	4397	120141	1236	42148	2380	37677	699	14289	302
SPHERE	478	13651	172	6693	279	4307	97	2051
MUSE	992	24358	280	8235	662	11559	216	4788
X-shooter	467	14928	166	5651	232	4088	87	1693
GRAVITY	239	7060	18	467	186	4298	16	451
ESPRESSO	308	8915	85	1841	241	3791	81	1798
LBT	415	9516	139	3327	210	2723	68	882	82
ALMA	3843	119318	677	29263	2225	41585	460	12256	151
VLA	2089	46717	374	10141	985	13520	214	3868	123
LOFAR	914	21565	295	8695	559	7506	209	3806	73
Meerkat	429	5117	126	1950	339	3800	120	1670	38
SRT	68	1076	43	878	40	390	28	349	33
Medicina	25	244	21	180	14	67	13	67	13
MAGIC	456	10072	135	4622	240	2698	64	1134	17
Cherenkov	1324	24031	168	4912	712	6800	100	1649	72
Gaia	6055	170077	838	55435	4482	85846	575	21430	232
Planck	6999	305129	560	89580	3410	99569	261	28147	93
XMM	2948	59807	853	19859	1417	15731	422	5081	180
Rosetta	909	23050	187	8189	333	3723	55	920	10
MEX	531	7755	29	600	227	1524	10	83	9
Chandra	3044	68798	673	20001	1407	14817	332	5157	182
LIGO/Virgo	3120	197230	235	56955	1982	77977	140	24677	31
JWST					2154	44753	401	10652	128

I Piani Triennali INAF distinguono tra fondi etichettati dedicati alle infrastrutture esistenti per il loro funzionamento e fondi per le nuove infrastrutture (ELT, SKA, CTA) o per il potenziamento di quelle presenti (SRT). Le figure che seguono mostrano i fondi etichettati dal 2019 al 2023 inclusi per osservatori esistenti (cerchi vuoti) o futuri (frecce, l’origine delle quali è posta sui precursori) verso il numero di articoli (nero, scala asse alla base del grafico) e citazioni (magenta, scala asse in cima al grafico) prodotti da ricercatori INAF negli ultimi 5 anni. Per VLT e ALMA ho calcolato la frazione  del costo totale stimato per l’operazione di queste infrastrutture (~100MEUR/anno per ALMA, di cui circa il 37.5% a carico di ESO, ~30MEUR/anno per VLT) relativa al finanziamento italiano per ESO  (tra il 10 e 11% del budget totale). Per gli osservatori/strumenti senza fondi etichettati nei PTA ho usato un valore tra 1 e 2.7MEUR per motivi grafici. In questa categoria rientrano anche i telescopi spaziali, sia quelli ESA (Planck, MEX, Rosetta, Gaia, XMM), che NASA (Chandra, JWST). L’Italia certamente investe nelle missioni scientifiche di ESA (circa 400MEUR/anno) e quindi in linea di principio è possibile ricavare il costo di operazione delle missioni ESA pagato dall’Italia. Aggiornerò i grafici non appena riuscirò a finalizzare questo calcolo.

Se si guarda al numero di citazioni di lavori che includono almeno un autore INAF spiccano su tutti Gaia, Planck e LIGO/Virgo. Gaia sta diventando l’osservatorio più produttivo del mondo, con una produttività e un impatto che può rivaleggiare solamente con quello di JWST. Si può notare come a fronte di un costo per l’Italia dello stesso ordine di grandezza il numero la lavori con autori INAF relativi a VLT e ALMA siano circa 10 e 60 volte maggiori di quelli di LBT e SRT rispettivamente. Lo strumento VLT con il maggiore numero di lavori e citazioni con partecipazione INAF è MUSE, anche se INAF non partecipa al consorzio che lo ha realizzato. INAF partecipa ai consorzi di Sphere, ESPRESSO e X-shooter, che mostrano tutti un discreto ritorno in termini di lavori e citazioni. Buono è il ritorno dai telescopi spaziali XMM e Chandra, testimone della grandezza e bontà della comunità di riferimento. 

Alle ottime prestazioni di VLT, ALMA e Gaia in termini di produttività e di impatto corrisponde la grandezza della comunità che utilizza questi osservatori, più di 300 autori unici per VLT, 230 per Gaia e 150 per ALMA. Gli unici altri osservatori che hanno una comunità di  riferimento di simili dimensioni sono gli osservatori X Chandra e XMM (circa 180 autori unici negli ultimi 5 anni), e VLA (120 autori unici). LIGO/Virgo che sono stati negli ultimi cinque anni tra gli osservatori con il maggiore impatto (maggiore numero di citazioni, ma anche maggiore numero di lavori di punta), hanno coinvolto una comunità piccola, di circa 30 ricercatori INAF.

Le figura che segue mostra il numero di autori verso il numero di lavori e di citazioni. La dimensione dei simboli è proporzionale al costo di operazione e di sviluppo di nuove infrastrutture negli ultimi 5 anni (ho considerato Meerkat e LOFAR come precursori di SKA, e Cherenkov come precursore di CTA). Osservatori/strumenti virtuosi sono caratterizzati da una produttività alta a fronte del loro costo, come certamente è il caso di VLT e ALMA. 

Piccole comunità possono produrre buoni risultati, non c’è solamente il caso estremo di LIGO/Virgo, ma anche quello di Rosetta e MAGIC. 

Il messaggio  più importante che la figura suggerisce è che i nuovi grandi progetti che assorbiscono e assorbiranno la maggior parte dei fondi attualmente etichettati (SKA, CTA) dovranno aumentare le comunità di riferimento e quindi i lavori prodotti e le citazioni di almeno 3-5 volte per diventare competitivi con VLT->ELT, in termini di ritorno scientifico dai fondi investiti.  Un buon esempio per illustrare il concetto e’ quello di ALMA. Certamente l’interferometria mm e submm non facevano parte del dna della comunità INAF quando ALMA venne concepito e realizzato tra la fine degli anni 90’ e la prima decade degli anni 2000. Esisteva certamente una piccola e produttiva comunità, che utilizzava le facilities di IRAM. Le dimensioni di questa comunità sono circa quadruplicate negli ultimi 10 anni, grazie al fatto che da un lato ALMA si è dimostrato uno strumento fondamentale per le comunità INAF galattica ed extragalattica, e dall’altro che l’accesso e l’utilizzo all’infrastruttura è stato agevolato dall’ESO, con il quale la comunità INAF ha lunga e positiva conoscenza e tradizione di utilizzo.  

L’altra grande infrastruttura in fase di studio in Europa e in Italia è Einstein Telescope. La comunità coinvolta in lavori che usano o commentano i dati di LIGO/Virgo è ancora piccola, circa 30 autori unici negli ultimi 5 anni, e certamente sarà necessario allargarla di un ordine di grandezza, di nuovo per fare in modo che rapporto tra produttività e fondi investiti sia confrontabile con quello di VLT->ELT. In questo caso esiste una tradizione forte in INAF almeno per quanto riguarda i transienti che sono le controparti elettromagnetiche delle sorgenti gravitazionali, la loro ricerca e la loro caratterizzazione. INAF sembra quindi ben preparato e posizionato per lo sfruttamento della nuova astrofisica multimessaggera. 

Questa pagina presenta una analisi degli articoli referati con il maggiore numero di citazioni nel database di ADS. Ho selezionato due campioni:

1. 483 articoli pubblicati tra il luglio 2018 e il luglio 2023 con più di 192 citazioni (top 0.3% di tutto il campione originale di più di 164.000 articoli. Il numero medio di citazioni per il campione originale è di 12.0 per articolo.
2. 340 articoli pubblicati tra il luglio 2022 e il luglio 2023 con più di 31 citazioni (top 1% di tutto il campione originale di circa 34.000 articoli). Il numero medio di citazioni per il campione originale è di 3.1 per articolo.

A luglio 2022 sono stati distribuiti i primi dati JWST e sono apparsi molto rapidamente i primi articoli che hanno riportato l’analisi di questi dati, l’analisi del secondo campione quindi è utile per valutare l’impatto di JWST e i casi scientifici che JWST potrà spingere nel prossimo futuro.

Per ognuno dei papers nei due campioni ho utilizzato: 

• la nazionalità dell’istituto che ospita il primo autore dell’articolo
• il principale osservatorio o survey utilizzata (individuato dal titolo, dal consorzio o dall’abstract)
• il caso scientifico o tecnologico (individuato dal titolo o dall’abstract)
• il numero di citazioni

Le figure e le tabelle che seguono mostrano per i due campioni la distribuzione del numero di articoli verso lo strumento, l’osservatorio o la survey, e includono anche dati su articoli teorici e simulazioni.

Per il campione 1. 2018/07-2023/07 i picchi più alti tra strumenti e osservatori, quelli con più di 30 articoli, sono relativi a Gaia e Ligo/Virgo. Seguono Dark Matter observations, Apache Point (SDSS, BOSS, MANGA, APOGEE), Planck, EHT (più di 10 articoli per progetto). 

Tra gli articoli teorici i temi con maggior numero di articoli sono relativi a simulazioni (soprattutto cosmologiche), teoria della gravità, oggetti compatti (BH, NH, primordial BH), cosmologia (includendo H0). 

La distribuzione del numero di articoli verso osservatori/surveys per il secondo campione, 2022/07-2023/07 testimonia l’impatto clamoroso di JWST sulla produzione scientifica di eccellenza. Addirittura il 20% degli articoli con il top 1% delle citazioni sono relativi a dati JWST. Resistono soprattutto Gaia, e a seguire, Ligo/Virgo, Apache Point. Compaiono i primi numerosi articoli su DESI/Kitt Peak. Circa gli articoli teorici, rimangono numerosi gli articoli su simulazioni e teorici su gravita’, oggetti compatti e cosmologia.

Le figure e le tabelle che seguono mostrano la distribuzione degli articoli verso il caso scientifico per i due campioni. 

Per il campione 1. 2018/07-2023/07 i casi scientifici rappresentati nel maggior numero di lavori eccellenti sono relati ai dati prodotti da Gaia, stelle e la Milky Way, onde gravitazionali e cosmologia osservativa (più di 40 articoli per ciascuno dei tre temi scientifici). Seguono exoplanets, DM observations, Fast Radio Bursts, M87+SgrA* e multimessenger astrophysics (piu’ di 14 articoli per ciascun tema).

Il dato riferito al campione 2. 2022/07-2023/07 riflette l’impatto molto significativo di JWST già nei primi mesi di attività. Il tema scientifico che raccoglie più articoli eccellenti è quello dell’Universo ad alto redshift, le prime galassie, i primi buchi neri, con più di 50 lavori, corrispondenti a più del 15% del campione. Rimane molto significativo il picco relativo alla cosmologia osservativa. Seguono stelle e la Milky way osservate con Gaia, onde gravitazionali, galassie sempre osservate con JWST ed exoplanets (una buona frazione dei quali osservati con JWST).

Le figure e le tabelle che seguono mostrano la percentuale di articoli per nazione. Il dato USA è fuori dalla scala delle figure per poter meglio apprezzare i dati delle altre nazioni. 

Per il campione 1. 2018/07-2023/07 piu’ del 36% di articoli hanno come primo autore ricercatori che lavorano in istituti statunitensi. Segue il Regno Unito, la Germania, l’Olanda, l’Australia, la Francia, la Spagna e l’Italia.

Il numero di top papers con primo autore di una Università o istituto di ricerca italiano è circa un quarto di quelli con primo autore di istituti britannici e 1/3 di quelli con primo autore di istituti tedeschi, e più piccolo di circa il 30% e del 60% del numero di top papers con primo autore francese e olandese, ed è minore anche di quello relativo ai colleghi spagnoli. Il numero di top papers con primo autore INAF è di solo 5 su 483, il 37% del totale Italiano. Ricercatori italiani sono ovviamente coinvolti nei progetti Planck e Gaia, ma questo è vero anche per i ricercatori francesi, tedeschi, spagnoli, olandesi o britannici. 

Una misura della dimensione o della produttività di una comunità è data dalla frazione di articoli con almeno un autore di quella comunità. La percentuale degli articoli con almeno un autore della nazione è data nella quarta colonna della tabella. Si nota come la comunità astronomica italiana ha una produttività/dimensione simile a quella francese, circa il 63% delle comunità britanniche e tedesche e circa doppio e il 33% maggiore di quelle olandesi e spagnole. 

L’ultima colonna della tabella mostra la % di articoli eccellenti rispetto al totale degli articoli con almeno un autore della nazione. Questa % per gli USA è dello 0.3%. Per l’Italia questa frazione è circa 2.5 e 3 volte inferiore a Regno Unito e Olanda. Per INAF la percentuale è ancora peggiore. A parità di dimensione/produttività di comunità, i ricercatori italiani quindi hanno avuto meno capacità di guidare articoli eccellenti rispetto ai colleghi europei.

Gli articoli con primo autore INAF sono i seguenti:

• SN evolution and explosive nuclosinthesis, Limongi et al. 2018
• Multimessenger, Radio Jet of GW/GRB170817, Ghirlanda et al. 2019
• INTEGRAL observation of SGR1935+2154, Mereghetti et al. 2020
• Radar evidence of subglacial liquid water on Mars, Orosei et al. 2018
• Chepheids and RR-Lyrae with Gaia, Clementini et al, 2018

Altri articoli con primo autore di Università o enti di ricerca italiani includono: Photonics, gravity cosmography, progenitors of compact object binaries, cosmological constraints from Hubble diagram of quasars, fundamental physics with LISA, Advanced Virgo, science with eAstrogam, merging BH in stellar clusters.

Per il campione 2. 2022/07-2023/07 di nuovo più del 30% degli articoli ha un primo autore statunitense. Seguono Regno Unito, Germania, Italia, Giappone. Francia, Cina, Svizzera. Il dato complessivo Italiano è di quasi il 6%, con 20 articoli nei top 340, un risultato molto migliore che nel campione 1. riferito all’ultimo quinquennio. Infatti, ben sei papers con primo autore italiano sono su dati JWST, tre dei sei articoli con primo autore INAF. Gli altri 3 articoli con primo autore INAF riguardano dati Gaia. In dettaglio:

• Early results from JWST GLASS, Castellano et al. 2022
• Gaia-ESO, Randich et al. 2022
• Gaia spectroscopic data, Montegriffo et al. 2023
• Early results from JWST GLASS, Santini et al. 2023
• Early results from JWST GLASS, Merlin et al. 2022
• Gaia RR-Lyrae, Clementini et al. 2023

Altri articoli con primo autore di Università o enti di ricerca italiani includono: Emerging cosmological probes, abundance of super-early luminous galaxies revealed by JWST, long GRB from merger compact objects, simulation of high-z galaxies, GBW with Lisa, ALMA Rebels z~7 galaxies, inflaction & primordial BHs,  JWST obscured high-z galaxies, DM beyond 100 TeV, JWST lensing clusters, IXPE simulations, Ligo/Virgo multimessenger, non-gaussianity & primordial BHs, gamma-rays from compact binary mergers.

Nel campione 2. relativo all’ultimo anno la produttività/dimensione della comunità Italiana è di nuovo di circa il 10%, un dato simile a quello per il campione 1. la % di articoli eccellenti rispetto al totale degli articoli con almeno un autore italiano è però ora dello 0.61 %, migliore di quella di Germania, Francia, Olanda e Spagna, ed in Europa seconda solo al Regno Unito. Il dato INAF è però di nuovo circa la metà di quello italiano, confermando la difficoltà dei ricercatori INAF a guidare articoli eccellenti.

Conclusioni

La tabella che segue elenca i temi scientifici che hanno raccolto il maggior numero di articoli nel top 0.3% e nel top 1% di tutti gli articoli referati pubblicati nell’ultimo quinquennio. Ho considerato l’unione dei due campioni discussi in precedenza, per tenere adeguatamente conto dell’impatto di JWST (che ha cominciato a produrre dati solo nell’ultimo anno). 

Le cinque linee di ricerca di astrofisica osservativa che hanno dominato l’ultimo quinquennio è probabile che saranno egualmente importanti o addirittura incrementeranno l’importanza anche nel prossimo futuro, grazie allo sfruttamento scientifico di JWST che è appena cominciato, e all’avvento di Euclid per la cosmologia osservativa e dei nuovi interferometri gravitazionali di seconda generazione (Kagra, Ligo-India) e terza generazione (Einstein Telescope, Cosmic Explorer) e all’incremento e sfruttamento dei dati di Gaia. 

Da notare come il 20-25% degli articoli più citati siano teorici. 

La comunità italiana ha dimostrato difficoltà a guidare articoli nel top 0.3% dell’ultimo quinquennio. Nell’ultimo anno il trend potrebbe aver mostrato una inversione, ma ovviamente è necessario aspettare conferma. INAF rispetto alla comunità italiana nel suo complesso rappresenta tra il 50 e il 60% come dimensione/produzione, ma la frazione di articoli top è tra il 30 e il 37% di tutti quelli con primo autore in una istituzione italiana. 

Se si analizza solamente il campione 2. relativo all’ultimo anno è molto chiaro quali siano le aree scientifiche di maggior impatto per INAF: Milky way vista da Gaia e Universo ad alto redshift. Se si analizza tutto l’ultimo quinquennio a questi si aggiungono oggetti compatti, multimessenger, teoria delle esplosioni di SN,  la scoperta dell’acqua su Marte. Su 11 articoli uno solo è teorico, ben nove utilizzano prevalentemente dati spaziali. Questo è un dato che forse non sorprende, ma che non può non far pensare. Infatti INAF non ha mai investito direttamente in missioni spaziali e nell’analisi dei relativi dati, supportando queste attività per lo più con gli stipendi dei ricercatori coinvolti. Il supporto alle missione spaziali è venuto per la stragrande maggioranza dalle agenzie spaziali italiana e europea, ed è risultato, di conseguenza, anche in una etero-direzione delle politiche scientifiche di INAF (positiva, in questo caso, se si guarda ai risultati prodotti da molte missioni spaziali a forte contributo italiano e/o europeo, Gaia prima tra tutte). Il limite di questo schema è però nel troppo basso numero di pubblicazioni top a guida INAF, sia in relazione al resto delle Università e istituti italiani, sia a maggior ragione nel contesto internazionale.  E’ sicuramente più difficile avere l’autorità per richiedere la guida di articoli scientifici di grande impatto quando non si investe direttamente in quel dato progetto.  Questa preoccupazione è tanto più grande oggi, quando ci si aspettano risultati di altissimo livello da Euclid, su cui l’Italia ha investito tantissimo sia in termini di fondi sia in termini di personale coinvolto.  Per invertire la tendenza ed aumentare il numero di articoli top a guida INAF che utilizzano dati spaziali sembra necessario cambiare la politica INAF verso i progetti spaziali, e investire direttamente per migliorare lo sfruttamento di questi dati, a cominciare da Gaia e JWST.

Dalla tabella emergono almeno quattro aree di debolezza per INAF:

1. Cosmologia osservativa. Lo sfruttamento dei dati di Euclid potrebbe certamente aiutare a colmare questa lacuna, vedi paragrafo precedente sul supporto alle missioni spaziali.
2. GW/Multimessenger. Sebbene INAF abbia una grande tradizione nel campo dei transienti cosmici, il coinvolgimento nelle infrastrutture GW è piccolo, e corrispondentemente piccolo è l’impatto negli articoli top. Einstein Telescope rappresenta una enorme opportunità per entrare in questo mercato molto promettente da protagonisti.
3. Exoplanets. Italia e anche INAF hanno investito e stanno investendo non poco in questo settore (vedi i contributi italiani a Cheops e Ariel per lo spazio, a Sphere/VLT e HARPS-N/TNG per gli osservatori terrestri). Il ritorno in termini di articoli top non è ancora arrivato, e sarà difficile possa arrivare nel prossimo futuro perché’ il settore sarà probabilmente dominato da JWST (almeno per quello che riguarda lo studio delle atmosfere), sul quale la comunità italiana ha accesso non garantito e non banale. Valorizzare al massimo lo sfruttamento dei dati che verranno prodotti da Ariel potrebbe aiutare a colmare questa lacuna, vedi paragrafo precedente sul supporto alle missioni spaziali.
4. Astrofisica teorica. Storicamente INAF ha sempre investito pochissimo in questo settore, e non è quindi sorprendente che la produzione di eccellenza sia limitata. Andrebbe riconosciuta una piena dignità all’astrofisica teorica, e finanziata in maniera adeguata direttamente, senza dover ricorrere a contatti più o meno fittizi con progetti tecnologici.