Physics of the Cosmos Science

Il programma Physics of the Cosmos (PCOS) si trova all'intersezione tra fisica e astronomia. Il suo scopo è quello di esplorare alcune delle domande più fondamentali riguardanti le forze fisiche e le leggi dell'universo: la validità della teoria generale della relatività di Einstein e la natura dello spaziotempo; il comportamento della materia e dell'energia in ambienti estremi; i parametri cosmologici che governano l'inflazione e l'evoluzione dell'universo; e la natura della materia oscura e dell'energia oscura.

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La nostra ricerca per capire come funziona l’universo inizia con lo studio dei mattoni fondamentali della nostra esistenza – materia, energia, spazio e tempo – e come si comportano in condizioni fisiche estreme che caratterizzano L’Universo primordiale e in evoluzione.

Il programma Physics of the Cosmos (PCOS) della NASA incorpora cosmologia, astrofisica ad alta energia e progetti di fisica fondamentale volti ad affrontare direttamente questioni centrali sulla natura di fenomeni astrofisici complessi come buchi neri, stelle di neutroni, energia oscura e onde gravitazionali. Utilizzando una flotta di missioni spaziali che operano su tutto lo spettro elettromagnetico, l’obiettivo principale di PCOS è quello di conoscere l’origine e il destino ultimo del cosmo.

Il programma Physics of the Cosmos (PCOS) si trova all’intersezione tra fisica e astronomia. Il suo scopo è quello di esplorare alcune delle domande più fondamentali riguardanti le forze fisiche e le leggi dell’universo: la validità della teoria generale della relatività di Einstein e la natura dello spaziotempo; il comportamento della materia e dell’energia in ambienti estremi; i parametri cosmologici che governano l’inflazione e l’evoluzione dell’universo; e la natura della materia oscura e dell’energia oscura.

OBIETTIVI SCIENTIFICI PCOS

Espandere la nostra conoscenza dell’energia oscura. La scoperta che l’espansione dello spazio sta accelerando presenta uno dei problemi scientifici più importanti del nostro tempo. L’implicazione che l’universo è dominato da un’entità sconosciuta, ora chiamata “energia oscura”, che contrasta la forza attrattiva della gravità, può rivoluzionare la nostra comprensione della cosmologia e della fisica fondamentale. Sebbene le osservazioni con risorse terrestri e orbitali, tra cui HST , Chandra e WMAP, abbiano confermato l’accelerazione, sappiamo ben poco delle proprietà più elementari dell’energia oscura. Attualmente non esiste una teoria basata sulla fisica nota che possa spiegare quantitativamente l’energia oscura. La meccanica quantistica sovrastima la quantità di energia oscura osservata di un fattore di 10^120. Le osservazioni empiriche sono fondamentali per distinguere:

  • se l’energia oscura è coerente con la Costante cosmologica di Einstein
  • se è dovuta a un campo di quintessenza dinamica che cambia nello spazio e nel tempo
  • se si tratta semplicemente di un fallimento della teoria generale della relatività di Einstein su scala cosmica.

Poiché sembra controllare l’espansione dell’Universo, non possiamo prevedere il destino dell’Universo – L’Universo durerà per sempre? – Senza comprendere la natura fisica dell’energia oscura.

Misurare con precisione i parametri cosmologici che governano l’evoluzione dell’universo e testare l’ipotesi di inflazione del Big Bang. Il fondo cosmico a microonde (CMB) ebbe origine solo 380.000 anni dopo il Big Bang, quando l’Universo era denso, caldo e opaco. Mentre l’Universo si raffreddava, la luce si disaccoppiava e fuggiva dalla materia. Oggi osserviamo la stessa luce, allungata dall’espansione dell’universo come un freddo bagliore a 2,7 K. Le osservazioni del CMB hanno guidato la nostra comprensione dell’Universo primordiale e sono una delle poche sonde dell’epoca inflazionistica. L’inflazione descrive il breve periodo di straordinaria espansione in cui l’Universo è passato dalla scala atomica a scale visibili e dove le fluttuazioni di piccola densità hanno portato alla struttura su larga scala – galassie e ammassi di galassie – che osserviamo oggi. Le mappe della CMB forniscono una misurazione precisa della geometria dell’Universo e mostrano che è “piatta” governata dalla geometria euclidea su scale cosmiche. Le proprietà spaziali e statistiche dettagliate delle mappe CMB sono coerenti con le previsioni di inflazione. Tuttavia, il processo fisico dietro l’inflazione rimane sconosciuto. Nuove misurazioni delle proprietà di polarizzazione del CMB aiuteranno a scoprire questo processo, che risiede in energie e densità oltre la fisica delle particelle standard e oltre gli acceleratori di particelle terrestri. Cercando un segnale di polarizzazione caratteristico da un fondo di onde gravitazionali prodotte dall’inflazione, possiamo inferire la scala energetica dell’inflazione, che può trovarsi alla scala della grande unificazione delle forze della natura.

Testare la validità della teoria della relatività generale di Einstein e studiare la natura dello spaziotempo. La teoria generale della relatività di Einstein è una delle teorie fondamentali più care alla fisica. Ma si prevede che questa descrizione della gravità sia incompleta a causa della sua mancanza di una base quantistica, al contrario delle forze elettromagnetiche, deboli e forti, che sono ben definite dalla meccanica quantistica. La maggior parte dei test di relatività generale sono stati condotti in campi a bassa gravità, ad esempio all’interno del sistema solare. Tra i test più rigorosi fino ad oggi ci sono le osservazioni pulsar binarie in cui gli effetti della radiazione gravitazionale sono importanti. Tuttavia, i test migliori sarebbero alle condizioni più estreme, cioè vicino agli orizzonti degli eventi dei buchi neri e dove i buchi neri interagiscono a distanza ravvicinata, in particolare dove le velocità sono una frazione apprezzabile della velocità della luce. La relatività generale fa previsioni specifiche su come la luce emessa dal materiale nelle regioni più interne attorno a un buco nero sia distorta e spostata in modo gravitazionale. Osservazioni dettagliate di quella luce forniranno test rigorosi di gravità forte. La relatività generale prevede anche che l’inspiral di due oggetti enormi perturberà lo spazio-tempo e genererà onde gravitazionali. Le condizioni più estreme e quindi i segnali di onde gravitazionali più forti esistono durante la fusione di enormi buchi neri. Lo studio della gravità in questi forti limiti di campo fornirà test essenziali della relatività generale e della natura dello spaziotempo.

Comprendere la formazione e la crescita di enormi buchi neri e il loro ruolo nell’evoluzione delle galassie. Si pensa che buchi neri massicci  (~ 10^9 masse solari) onnipresenti nell’Universo oggi provengano da semi di buchi neri formati all’inizio dell’era della Reionizzazione. L’origine di questi semi è incerta. Potrebbero essersi formati da grandi buchi neri di massa stellare (~ 100 masse solari) rimasti dalle prime stelle o buchi neri di massa intermedia (~ 10^4–5 masse solari) formate direttamente dal collasso supermassiccio di nubi di gas. Sia che i buchi neri supermassicci (SMBH) crescano attraverso fusioni o accrescimenti, le loro galassie ospiti sembrano essersi evolute insieme a loro. È emersa una forte correlazione tra le proprietà e l’evoluzione delle galassie e la crescita dei loro buchi neri supermassicci centrali. I processi energetici intorno agli SMBH portano a enormi uscite radiative e meccaniche che potrebbero potenzialmente avere un profondo effetto sul loro ambiente su larga scala in galassie, ammassi e mezzo intergalattico. Ma mancano descrizioni quantitative dell’interazione tra la crescita massiccia del buco nero e la crescita della galassia. La comprensione della formazione delle galassie e la loro successiva evoluzione saranno associate allo studio intensivo dell’evoluzione dei SMBH.

Esplorare il comportamento della materia e dell’energia nei suoi ambienti più estremi. I raggi cosmici – particelle cariche ad alta energia che viaggiano a velocità che possono avvicinarsi alla velocità della luce – sono l’unica sonda diretta di composizione chimica e nucleosintesi nell’Universo. La maggior parte dei raggi cosmici sono nuclei atomici dall’idrogeno agli elementi più pesanti con energie che abbracciano più di dodici ordini di grandezza. I raggi cosmici con energie al di sotto e appena al di sopra del cosiddetto “ginocchio” nel mezzo di questo intervallo di energia sono molto probabilmente accelerati nei resti di supernova. La loro composizione elementare e isotopica indaga la nucleosintesi, le interazioni nucleari nel mezzo interstellare, la distribuzione di elementi appena sintetizzati, le proprietà galattiche globali, i meccanismi delle esplosioni di supernova e l’accelerazione di particelle negli shock di supernova. A energie superiori a circa 10^17eV domina una sorgente diversa. I motori di accelerazione responsabili di tali energie estreme non sono ben compresi, ma alle massime energie, oltre 6 x 10^19eV, la rapida perdita di energia derivante dalle interazioni con il fondo cosmico a microonde limita le sorgenti a circa 100 Mpc. Altri componenti del raggio cosmico includono elettroni, positroni e antiprotoni. Gli elettroni sono abbastanza abbondanti e possono essere accelerati in diversi tipi di sorgenti, mentre i positroni e gli antiprotoni sono in gran parte il risultato di interazioni di raggi cosmici nucleari con l’ISM ma possono anche avere altre origini. Positroni ed elettroni possono essere prodotti direttamente in oggetti astrofisici come pulsar e le deviazioni nei loro spettri sono in grado di fornire importanti spunti sulle sorgenti vicine. Le particelle di raggi cosmici possono anche essere prodotte direttamente nell’annichilimento di particelle candidate alla materia oscura come, ad esempio, WIMP, neutralini e particelle di Kaluza-Klein.

Le attuali missioni di PCOS riguardano, per l’astronomia a raggi X,  Chandra X-ray Observatory,  un grande osservatorio della NASA che fornisce la visione più dettagliata fino ad oggi dell’universo a raggi X; per l’astronomia a raggi gamma, Fermi Gamma-Ray Space Telescope che fornisce la nostra mappa più profonda e dettagliata del cielo di raggi gamma. XMM-Newton, la missione multi-specchio a raggi X, è la seconda pietra angolare del programma ESA Horizon 2000. Con un’elevata area di raccolta nella banda dei raggi X, XMM fornisce informazioni vitali per gli studi sui processi fondamentali e relativistici da stelle di neutroni e nuclei galattici attivi, la creazione e la dispersione degli elementi nelle supernovae, la distribuzione della materia oscura in gruppi, gruppi, e galassie ellittiche e giovani stelle attive per vincolare i modelli del primo sistema solare e le regioni di formazione stellare. Altre missioni correlate  fanno parte del programma Explorer, dove la loro scienza è strettamente correlata al tema della fisica del cosmo come l’indagine energetica e di massa dei raggi cosmici per la Stazione Spaziale Internazionale, nota come ISS-CREAM, e NICER, carico utile della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) dedicato allo studio delle stelle di neutroni attraverso un tempismo a raggi X-soft, oltre a NuSTAR, Swift e INTEGRAL.

MISSIONI FUTURE

EUCLID – Data di lancio: prevista per il 2022. Euclid è una missione guidata dall’ESA per mappare la geometria dell’Universo oscuro. Usando due sonde cosmologiche – lente gravitazionale debole e oscillazioni acustiche barioniche – in un’indagine ad ampio campo, Euclid misurerà con precisione la crescita della struttura su larga scala e la storia dell’ espansione dell’Universo.

ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics) – Data di lancio: prevista per il 2028. Combinando un grande telescopio a raggi X con strumenti scientifici all’avanguardia, Athena affronterà le domande chiave in astrofisica, tra cui: come e perché la materia ordinaria si riunisce nelle galassie e nei cluster galattici che vediamo oggi? In che modo i buchi neri crescono e influenzano l’ambiente circostante. I potenti strumenti di Athena consentiranno anche studi senza precedenti su una vasta gamma di fenomeni astronomici. Questi includono esplosioni di raggi gamma distanti, il gas caldo trovato nello spazio attorno a gruppi di galassie, l’interazione magnetica tra esopianeti e le loro stelle madri, le aurore di Giove e le comete nel nostro sistema solare. Athena è anche un potente osservatorio di uso generale, in grado di affrontare una vasta gamma di argomenti astrofisici attuali.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – Data di lancio: prevista per il 2034.
In risposta alla richiesta dell’Agenzia spaziale europea (ESA) per la concezione della missione L3, il consorzio della missione LISA ha presentato una proposta per l’antenna spaziale interferometria laser (LISA) il 13 gennaio 2017.

IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) – Data di lancio: entro la fine del 2020. IXPE sfrutterà lo stato di polarizzazione della luce da sorgenti astrofisiche per fornire informazioni sulla nostra comprensione della produzione di raggi X in oggetti come stelle di neutroni e nebulose del vento pulsar, nonché buchi neri stellari e supermassicci . IXPE migliorerà la sensibilità su OSO-8, l’unico precedente polarimetro a raggi X, di due ordini di grandezza nel tempo di esposizione richiesto. IXPE introdurrà inoltre la capacità di imaging polarimetrico a raggi X, consentendo in modo univoco la misurazione della polarizzazione a raggi X con una risoluzione spaziale, spettrale e temporale scientificamente significativa, per raggiungere l’obiettivo scientifico della direzione della missione scientifica della NASA “per sondare l’origine e il destino del nostro universo, compresa la natura dei buchi neri, energia oscura, materia oscura e gravità“.

https://pcos.gsfc.nasa.gov/about.php