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Una survey galattica per studiare l’accelerazione cosmica

Sappiamo che l’Universo si espande ad un ritmo accelerato. Tuttavia, ciò che causa tale espansione accelerata rimane ancora un mistero. La spiegazione più plausibile è che esista una strana forma di energia, detta “energia scura“, che guida l’espansione cosmica. Oggi, un nuovo strumento astronomico, chiamato Physics of the Accelerating Universe Camera (PAUCam), cercherà delle risposte esplorando l’Universo con un metodo innovativo. La camera, che registrerà la posizione di circa 50.000 galassie, potrebbe far luce anche sulla natura della materia scura e quindi sull’evoluzione cosmica.Negli anni ’90, lo studio delle supernovae Ia distanti portò gli astronomi alla sorprendente conclusione che l’Universo si espande ad un ritmo accelerato, anzichè rallentare. Senza avere in mano una spiegazione ovvia, gli scienziati dedussero che doveva esistere una forza misteriosa, chiamata “energia scura”, responsabile dell’effetto dell’accelerazione cosmica.

La storia temporale dell’evoluzione cosmica assumendo una costante cosmologica. Credit: Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

Dopo circa due decenni, ancora oggi non sappiamo che cosa è l’energia scura, che si ritiene costituisca circa il 70 percento del contenuto materia-energia dell’Universo. Secondo una teoria, essa potrebbe essere spiegata da una versione ormai abbandonata della teoria di Einstein, nota come costante cosmologica, che indica una misura dell’energia dello spazio vuoto. Secondo un’altra teoria, essa potrebbe essere correlata all’esistenza di enigmatici campi scalari che possono variare nello spazio e nel tempo. Alcuni scienziati ritengono che si tratti di una strana forma di “energia fluida” che permea lo spazio causando l’espansione accelerata dell’Universo.

Una foto del William Herschel Telescope dove è stata sperimentata la PAUCam. Credit: wikimedia commons, CC BY-SA

Naturalmente, l’unico modo di saperlo è realizzare delle osservazioni astronomiche e ricavare dati. Dopo circa sei anni trascorsi in fase di progettazione e costruzione ad opera di un consorzio di istituti di ricerca spagnoli, la PAUCam è stata sperimentata con successo e per la prima volta lo scorso mese, vedendo la prima luce al telescopio di 4,2 metri William Herschel a La Palma nelle Isole Canarie. L’informazione registrata dalla PAUCam permetterà di realizzare una mappa unica della distribuzione spaziale delle galassie. La mappa conterrà una nuova e più dettagliata informazione su alcuni parametri fondamentali che governano il destino dell’Universo, la sua espansione e la formazione delle galassie. Inoltre, la mappa permetterà di rivelare l’evoluzione delle strutture cosmiche in relazione all’espansione dello spazio che, se sta accelerando, ostacola il lavoro compiuto dalla gravità nell’attrarre materia per formare le galassie. Conoscere l’intensità della forza di gravità e misurare la dimensione delle strutture in termini della distribuzione delle galassie potrà fornire preziosi indizi per dedurre la storia dell’espansione dell’Universo. Anche se gli astronomi possono mappare le posizioni delle galassie prendendo una serie di fotografie del cielo, queste immagini rimangono delle mere proiezioni e non ci forniscono alcuna informazione sulla distanza. Infatti, una galassia può apparire molto debole perchè è molto distante o semplicemente perchè è vicina ma intrinsecamente debole nel caso possieda poche stelle brillanti. Di solito, gli astronomi utilizzano la spettroscopia per misurare la distanza di una galassia. Questa tecnica si basa sull’analisi dello spettro della luce scomposto nelle sue lunghezze d’onda. In questo modo, si possono studiare le righe di emissione dovute ad elementi diversi presenti nelle stelle che fanno parte della galassia. In generale, più distante si trova una galassia e maggiore risulta lo spostamento di queste righe verso lunghezze d’onda più lunghe a causa dell’espansione dello spazio: stiamo parlando dello spostamento verso il rosso, o redshift, che permette di stimare la distanza a cui si trova una galassia. Con le survey precedenti si sono ricavati accuratamente gli spettri di una galassia per volta, mentre oggi con le survey più moderne si possono ottenere alcune migliaia di spettri alla volta in una singola esposizione. In altre parole, la PAUCam rivoluzionerà le survey astronomiche poichè permetterà di misurare la distanza di decine di migliaia di galassie che essa sarà in grado di osservare ogni volta che sarà puntata verso il cielo.

Gli scienziati costruiscono modelli al computer che tentano di descrivere non solo l’evoluzione dell’Universo ma anche come si sono formate le strutture cosmiche nel corso di 13,8 miliardi di anni. Per far questo, bisogna considerare l’esistenza dell’enigmatica materia scura, con una piccola percentuale di materia ordinaria. La PAUCam permetterà ai cosmologi di verificare i propri modelli della formazione delle galassie misurando sulle nuove mappe la struttura granulosa della distribuzione delle galassie. Ciò sarà importante perchè ci fornirà indirettamente prezioni indizi sulla distribuzione della materia scura, che non possiamo osservare direttamente. Inoltre, sappiamo da osservazioni precedenti che gli ammassi di galassie contengono la materia scura. Contando il numero delle galassie presenti in un ammasso, gli astronomi possono stimare la quantità di materia visibile. In più, se misuriamo la velocità delle galassie, si trova che alcune si muovono più velocemente al punto che potrebbero sfuggire all’attrazione gravitazionale dell’ammasso. Il motivo per cui ciò non succede è che l’esistenza di una enorme distribuzione di materia scura dstribuita nell’ammasso aumenta l’attrazione gravitazionale. Se queste galassie si trovano davvero ammassate, allora dalle simulazioni numeriche potremo dedurre che le galassie vivono all’interno di strutture di materia scura ancora più massicce. La PAUCam permetterà di comprendere ancora meglio l’effetto della lente gravitazionale (gravitational lensing) in cui la materia devia i raggi luminosi delle galassie più distanti, il che fa apparire le loro immagini disorte. Gli scienziati possono studiare queste deformazioni delle immagini per calcolare quanta massa è distribuita in una particolare regione dello spazio, compresa la materia scura. Questo sarà uno dei compiti della prossima missione dell’ESA Euclid il cui lancio è previsto nel 2020. La distorsione delle immagini degli oggetti distanti dipende da come e quanto ammassata è la materia scura, che a sua volta dipende da quanto velocemente si sta espandendo l’Universo. Se l’Universo si espande ad un ritmo elevato, sarà difficile per la gravità attrarre le strutture per formare oggetti sempre più grandi. Per questo la PAUCam aiuterà a discriminare il segnale associato alla lente gravitazionale da quello dovuto a semplici allineamenti all’interno delle diverse orientazioni assunte dalle galassie.

Insomma, una nuova survey galattica come quella che sarà realizzata dalla PAUCam non è stata mai tentata prima su queste scale. La mappa risultante rappresenterà una risorsa unica che ci permetterà di imparare ancora meglio come si sono formate le galassie e come mai l’espansione cosmica sembra accelerare. Si spera, perciò, che la PAUCam potrà fornire una serie di risposte una volta che la survey sarà completata entro il 2020.

The Conversation: Galaxy survey to probe why the universe is accelerating 
arXiv: Precise photometric redshifts with a narrow-band filter set: The PAU Survey at the William Herschel Telescope 
arXiv: Measuring Baryon Acoustic Oscillations along the line of sight with photometric redshifs: the PAU survey