Un nuovo strumento che potrebbe risolvere il mistero dell’energia oscura

Fondamentalmente, la relazione esatta tra lo spostamento verso il rosso e la distanza dipende dalla storia dell'espansione dell'Universo che può essere calcolata teoricamente usando la nostra teoria della gravità e le nostre assunzioni sulla materia e sulla densità dell'energia dell'Universo.

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mappa dell'universo basata sull'effetto redshift

Per un astronomo, non c’è sensazione migliore del raggiungimento della “prima luce” con un nuovo strumento o telescopio. È il culmine di anni di preparativi e costruzione di nuovi hardware, quando per la prima volta il nuovo strumento raccoglie particelle di luce da un oggetto astronomico.

Questo, di solito, è seguito da un sospiro di sollievo e quindi dall’eccitazione di tutta la nuova scienza che è ora possibile.

Il 22 ottobre, il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI ) sul Mayall Telescope in Arizona, negli Stati Uniti, ha raggiunto la prima luce. Questo è un enorme balzo in avanti per la nostra capacità di misurare le distanze delle galassie – consentendo una nuova era per la mappatura delle strutture presenti nell’Universo.

Come indica il nome, può anche essere la chiave per risolvere una delle più grandi domande in fisica: cos’è la forza misteriosa soprannominata “energia oscura” che costituisce il 70 percento dell’Universo?

Il cosmo non è facile da capire. Le galassie vivono insieme in gruppi da poche a decine di galassie. Esistono anche gruppi di alcune centinaia o migliaia di galassie e super cluster che contengono molti di questi cluster.

Questa gerarchia dell’Universo è stata conosciuta con le prime mappe dell’Universo, ottenute dai grafici del pionieristico Redshift Survey del Center for Astrophysics (CfA).

Queste immagini impressionanti furono la prima occhiata che abbiamo dato alle strutture su larga scala nell’Universo, alcune delle quali grandi centinaia di milioni di anni luce.

L’indagine CfA è stata faticosamente costruita una galassia alla volta. Ciò ha comportato la misurazione dello spettro della luce delle galassie – una scissione della luce per lunghezza d’onda o colore – e l’identificazione delle impronte digitali di alcuni elementi chimici (principalmente idrogeno, azoto e ossigeno).

Queste firme chimiche vengono sistematicamente spostate verso lunghezze d’onda più lunghe e rosse a causa dell’espansione dell’Universo.

file 20191027 113972 1hmy009Mappa SDSS – ogni punto è una galassia. (M. Blanton / SDSS / CC BY-SA)

Questo “spostamento vero il rosso” è stato scoperto per la prima volta dall’astronomo Vesto Slipher e ha dato origine all’ormai famosa Legge di Hubble ed è causato dall’osservazione che le galassie più distanti sembrano allontanarsi a una velocità maggiore.

Ciò significa che le galassie vicine sembrano allontanarsi ad una velocità relativamente  più lenta al confronto: sono meno spostate verso il rosso rispetto alle galassie lontane. Pertanto, misurare il redshift di una galassia è un modo per misurare la sua distanza.

Fondamentalmente, la relazione esatta tra lo spostamento verso il rosso e la distanza dipende dalla storia dell’espansione dell’Universo che può essere calcolata teoricamente usando la nostra teoria della gravità e le nostre assunzioni sulla materia e sulla densità dell’energia dell’Universo.

Tutti questi presupposti sono stati testati all’inizio di questo secolo con la combinazione di nuove osservazioni dell’Universo, tra cui nuove mappe 3D ricavate da studi più estesi dello spostamento verso il rosso.

In particolare, lo Sloan Digital Sky Survey (SDSS) è stato il primo telescopio dedicato per il rilevamento del redshift a misurare oltre un milione di spostamenti delle galassie verso il rosso, mappando la struttura su larga scala dell’Universo con un dettaglio senza precedenti.

Le mappe SDSS includevano centinaia di supercluster e filamenti e hanno aiutato a fare una scoperta inaspettata: l’energia oscura.

Queste mappe ci hanno dimostrato che la densità della materia dell’Universo è molto inferiore di quanto previsto attraverso lo Sfondo Cosmico a Microonde, che è la luce rimasta dal Big Bang.

Ciò significa che ci deve essere una sostanza sconosciuta, soprannominata energia oscura, che guida l’espansione accelerata dell’Universo.

Il puzzle

La combinazione di tutte queste osservazioni ha preannunciato una nuova era per la comprensione della cosmologia, con la consapevolezza di un universo composto per il 30% di materia e e per il 70% di energia oscura.

Ma nonostante il fatto che la maggior parte dei fisici ora abbia accettato l’esistenza dell’energia oscura, non ne conosciamo ancora la sostanza.

Vi sono tuttavia diverse possibilità. Molti ricercatori ritengono che l’energia del vuoto abbia semplicemente un valore particolare, soprannominato “costante cosmologica“. Altre opzioni includono la possibilità che la teoria della gravità di Einstein sia incompleta se applicata sull’enorme scala dell’intero Universo.

Nuovi strumenti come il DESI aiuteranno a compiere il passo successivo nella risoluzione del mistero. Misurerà decine di milioni di spostamenti della galassia, che coprono un enorme volume dell’Universo fino a dieci miliardi di anni luce dalla Terra.

Una mappa così sorprendente e dettagliata dovrebbe essere in grado di rispondere ad alcune domande chiave sull’energia oscura e sulla creazione di strutture su larga scala nell’Universo.

Ad esempio, dovrebbe essere in grado di dirci se l’energia oscura è solo una costante cosmologica. Per fare ciò misurerà il rapporto tra la pressione che l’energia oscura mette sull’Universo e l’energia per unità di volume.

Se l’energia oscura è una costante cosmologica, questo rapporto dovrebbe essere costante sia nel tempo che nella posizione cosmici. Per altre spiegazioni, tuttavia, questo rapporto potrebbe variare. Qualsiasi indicazione che non sia una costante sarebbe rivoluzionaria e scatenerà un intenso lavoro teorico.

Il DESI dovrebbe anche essere in grado di limitare e persino smentire molte varianti della teoria della gravità, fornendo eventualmente una conferma della teoria della relatività generale di Einstein sulle scale più grandi.

O il contrario – e ancora una volta ciò scatenerà una rivoluzione nella fisica teorica.

Un’altra importante teoria che verrà testata con il DESI è l’Inflazione, che prevede che piccole fluttuazioni quantistiche casuali della densità di energia nell’Universo primordiale siano state esponenzialmente espanse durante un breve periodo di crescita intensa per diventare i semi delle strutture su larga scala che vediamo oggi.

DESI è solo una delle numerose missioni ed esperimenti sull’energia oscura di nuova generazione che verranno nel prossimo decennio, quindi c’è sicuramente motivo di essere ottimisti sul fatto che potremmo presto risolvere il mistero dell’energia oscura.

Nuove missioni satellitari come Euclid e enormi osservatori terrestri come il Large Synoptic Survey Telescope , offriranno ulteriori approfondimenti.

Ci saranno anche altri strumenti per lo studio del redshift come DESI, tra cui 4MOST dell’Osservatorio europeo meridionale. Insieme, forniranno centinaia di milioni di spostamenti in rosso in tutto il cielo che porteranno ad una mappa inimmaginabile del nostro cosmo.La conversazione

Bob Nichol , Professore di astrofisica e Pro Vice Cancelliere (Ricerca e innovazione), Università di Portsmouth .

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l’ articolo originale.