L’Universo Oscuro (seconda parte)

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Un gran numero di progetti si stanno preparando per esplorare in profondità il mistero dell’energia oscura e capire se in realtà sia sempre stata la stessa in tutto l’universo. L’operazione Dark Energy Survey (DES) è già iniziata, utilizzando il telescopio Victor M. Blanco in Cile con la scansione di una fascia del cielo meridionale, osservando supernovae e catalogando più di 200 milioni di galassie. All’inizio del 2017, un’indagine ancora più grande – Javalambre Physics of the Accelerating Universe Astrophysical Survey (J-PAS) nei pressi di Teruel, Spagna – ha iniziato a disegnare la mappa 3D dell’universo per rivelare BAO. Si occuperà di gran parte del cielo settentrionale e analizzerà fino a 500 milioni di galassie con uno strumento innovativo che utilizza 56 filtri di colore per rivelare lo spostamento verso il rosso.

Nel frattempo, nel Canada occidentale, uno strumento molto diverso sta cominciando a prendere forma. Il Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) nei pressi di Penticton in British Columbia è un radiotelescopio inusuale costruito da una serie di mezzi tubi, come un parco di skateboard gigante. Raccoglie le onde radio lungo una linea nord-sud che spazia intorno quando la Terra ruota, per costruire un quadro del cielo.

CHIME è costruito per raccogliere le onde emesse dall’idrogeno fresco. Come le galassie, questo porta l’impronta di antiche oscillazioni acustiche. Si potrebbero rivelare BAO meglio che con lo studio delle galassie, perché le galassie sono il risultato di processi relativamente complessi, mentre il gas segue le onde sonore originali in modo più diretto. “Si tratta di una misura molto pulita“, dice il ricercatore principale Mark Halpern.

Nel decennio successivo, son previsti veicoli spaziali e giganteschi telescopi terrestri con budget molto più grandi che parteciperanno alla caccia all’energia oscura. Questi quattro strumenti cosmici insieme con DES e J-PAS potranno lavorare tra di loro. Oltre a individuare supernovae e tracciare BAO, essi dovranno anche misurare le lenti gravitazionali e catalogare ammassi di galassie.

I cluster sono tenuti insieme dalla gravità, quindi la loro crescita potrebbe rivelare se la forza di gravità inizia a cambiare su grandi scale. E il fenomeno delle lenti gravitazionali, la piegatura di immagini lontane a causa della materia, produce modelli sottili nell’orientamento di galassie. Guardando come questi schemi variano nel tempo cosmico  si possono rivelare le variazioni di energia oscura.

A partire dal 2023 circa, il Large Synoptic Survey Telescope (LSST) in Cile promette di trovare un gran numero di supernove e individuare miliardi di galassie per tracciare BAO, la crescita dei cluster e le lenti gravitazionali. “LSST sarà come DES con gli asteroidi“, dice il direttore del DES Josh Frieman. La missione Euclid dell’Agenzia spaziale europea, prevista per il lancio nel 2020, studierà a sua volta le lenti gravitazionali. La visione nitida di Euclid sarà in grado di individuare meglio l’orientamento delle galassie lenticolari. Sarà anche in grado di raccogliere la luce vicino all’infrarosso che viene bloccata dall’atmosfera. La NASA prevede di lanciare una missione simile, WFIRST, a metà degli anni 2020. WFIRST avrà una visione ancora più nitida di Euclid, perché si basa su uno specchio più grande.

GAMMA RAY BURST-Potrebbe iniziare sia con la fusione di due stelle di neutroni o con il collasso di una stella massiccia. Entrambi questi eventi creano un disco di materiale intorno al buco nero . il sistema buco-disco, a sua volta, eroga un getto di materiale in prossimità della velocità della luce. L’onda d’urto all’interno di questo materiale emana radiazioni, i GRB

Anche con tanti occhi nel cielo, l’energia oscura potrebbe rimanere sfuggente. Così alcuni astronomi sono alla ricerca di evidenze più particolari. I lampi di raggi gamma (GRB) sono lampi di radiazione ad alta energia che arrivano dall’universo più lontano. Potrebbero essere causati dal collasso del nucleo di una stella massiccia per formare un buco nero o una stella di neutroni.

Presso la Stanford University in California, Maria Dainotti vuole usare i GRB come un nuovo tipo di candela standard. Questo sembra un compito difficile, perché queste esplosioni sono di vario genere, lampeggiano e si dissolvono apparentemente senza alcun motivo. “Se avete visto un GRB, avete visto un GRB“, dice Dainotti. Ma nel 2008, ha scoperto che alcuni GRB, per i quali le emissioni raggiungono un plateau e poi scendono di nuovo, un breve impulso significa una raffica più luminosa (MG Dainotti et al . Mon. Non. R. Astron. Soc. 391 , L79 -L83; 2008).

Dainotti è cauta sull’utilizzo dei GRB per la cosmologia di precisione, in parte perché non c’è ancora un motivo fisico chiaro per le sue correlazioni. I ricercatori non sanno ancora cosa generi un GRB quando il nucleo della stella collassa, le emissioni ad alta energia potrebbero essere generate da una stella di neutroni in rapida rotazione o da materiale che cade in un buco nero appena nato.

Quando la teoria sarà meglio stabilita, i GRB potrebbero illuminare i primi giorni dell’ energia oscura. I GRB sono molto più luminosi delle supernove di tipo Ia, e potrebbero essere utilizzati per vedere più lontano e tracciare l’espansione indietro, fino a quando l’Universo aveva meno di un miliardo di anni. Se l’energia oscura sta cambiando la sua natura, studiarle in tempi così remoti può essere cruciale.

Può darsi che sarà necessario un nuovo tipo di astronomia per spezzare l’enigma oscuro. Nel 2016, la collaborazione Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha finalmente annunciato il rilevamento di distorsioni di spazio-tempo note come onde gravitazionali, previste da Einstein un secolo fa. Un’increspatura distintiva della durata di una frazione di secondo che era l’eco della collisione di buchi neri, che più di un miliardo di anni fa sconvolsero il tessuto dello spazio-tempo, fondendosi tra loro. “Con onde gravitazionali come queste, abbiamo potuto misurare la distanza“, afferma Stephen Fairhurst, fisico presso l’Università di Cardiff, nel Regno Unito, e membro della collaborazione LIGO. La forma delle onde rivela la massa dei buchi neri e l’energia totale emessa. Combinandole con la forza delle onde che raggiungono la Terra, si può lavorare sulla distanza.

Tuttavia, tracciare la storia dell’ espansione richiederebbe anche individuare il redshift, che è più complicato. Potrebbe essere possibile trovare la galassia ospite di uno di questi eventi e utilizzare la sua luce per rivelare il redshift, anche se l’ospite potrebbe essere una delle tante galassie in una vasta area di ricerca, perché i rivelatori di onde gravitazionali non possono ancora individuare la direzione di provenienza con precisione.

Se tutti questi molteplici strumenti non trovassero dei cambiamenti nel comportamento dell’energia oscura, i ricercatori dovranno abbandonare tale teoria e abbracciare l’ipotesi della costante cosmologica. “Il momento in cui dovremo accettare la costante cosmologica sarà quando la teoria compirà un passo predittivo convincente“, dice Perlmutter. Ad esempio, una teoria potrebbe prevedere una nuova classe di particelle per frenare la costante cosmologica, e queste particelle potrebbero poi essere rilevate dal Large Hadron Collider del CERN.

I fisici sono appassionati di stranezze, quindi la maggior parte starà probabilmente sperando per l’altro esito: che la maggior parte della sostanza del nostro Universo sia una cosa in evoluzione che è ancora più strana dell’energia del vuoto. Se la sorgente di accelerazione risulterà essere un nuovo campo di energia o una modifica della gravità, le conseguenze saranno profonde. “Potrebbe farci ripensare a come la gravità e la fisica delle particelle interagiscono“, dice Trodden. Trovare una descrizione basata sulle particelle per la gravità, ha ossessionato i fisici teorici da Einstein in avanti. Per gestirle, alla fine, dovremmo abbandonare la sua costante cosmologica per la seconda volta.

Articolo pubblicato su Nature 537, S201-S204 (29 settembre 2016) doi: 10.1038 / 537S201a – di Stephen Battersby

 

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