Entrando in una nuova era della cosmologia dell’energia oscura

Il primo di una nuova generazione di esperimenti che mirano a far luce sulla misteriosa energia oscura inizierà a raccogliere dati all’inizio di quest’anno.
Nel 1998, Saul Perlmutter stava guidando una delle due squadre che ha scoperto che l’espansione dell’Universo sta accelerando. La scoperta ha sbalordito il mondo scientifico, poiché la maggior parte delle aspettative erano che l’attrazione gravitazionale della materia verso altra materia avrebbe rallentato l’espansione. Invece, una forza ripugnante ed enigmatica – in seguito chiamata energia oscura – sembrava allontanare l’Universo.
Perlmutter, un astrofisico del Lawrence Berkeley National Lab e dell’Università della California, Berkeley, alla fine condivise il premio Nobel per la fisica per la scoperta. In risposta ai risultati, si rivolse ai teorici in cerca di spiegazioni. “Molto rapidamente, ci siamo resi conto che per distinguere tra teorie concorrenti, avremmo dovuto misurare la storia dell’ espansione dell’Universo con almeno 20 volte la precisione ottenibile in quel momento”, ha dichiarato Perlmutter alla conferenza sulle Controversie Cosmiche a Chicago in ottobre.
Nonostante gli intensi sforzi di ricerca negli ultimi due decenni, i cosmologi non hanno fatto molti progressi nella comprensione della natura dell’energia oscura. La mancanza di progressi può sembrare frustrante, “ma è il momento assolutamente sbagliato per sentirsi depressi”, ha detto Perlmutter, perché i tipi di osservazioni che lui e altri desideravano 20 anni fa stanno finalmente diventando possibili. “I primi esperimenti per raggiungere il nuovo livello di precisione stanno per iniziare“, ha detto.
Il primo della nuova generazione di esperimenti a dare il via sarà  Dark Energy Spectroscopy Instrument (DESI), installato sul telescopio Mayall in cima a Kitt Peak in Arizona. Il DESI è attualmente in fase di test e dovrebbe iniziare a raccogliere dati scientifici il mese prossimo. Altri esperimenti, alcuni terrestri e altri su satelliti, inizieranno nei prossimi anni. Le nuove osservazioni useranno una gamma di tecniche diverse e complementari che i cosmologi sperano forniscano nuovi indizi sulla natura dell’energia oscura.
DESI: osservazioni su galassia a scala industriale
Esistono diversi modi per sondare l’espansione dell’Universo. Il metodo più consolidato si basa su supernove di tipo Ia, esplosioni termonucleari di nane bianche che sono visibili anche nelle galassie a dieci miliardi di anni luce di distanza. Poiché la luminosità intrinseca di questo tipo di supernova è nota, questi eventi fungono da “candele standard“: la luminosità osservata sulla Terra può essere utilizzata per calcolare le loro distanze. Gli astronomi possono anche determinare la velocità con cui una supernova si sta allontanando da noi misurando il suo spostamento verso il rosso, la variazione della lunghezza d’onda delle caratteristiche spettrali causata dall’effetto Doppler. Il redshift fornisce il tempo cosmico in cui stiamo assistendo all’esplosione, poiché gli oggetti che si allontanano più velocemente sono più lontani sia nello spazio che nel tempo rispetto a quelli che si allontanano più lentamente.
DESI utilizzerà un metodo diverso, basato sulla misurazione della distribuzione su larga scala delle galassie. Questa distribuzione conserva le firme di un fenomeno noto come oscillazioni barioniche acustiche (BAO). I BAO sono stati prodotti da onde acustiche nel plasma caldo e primordiale che compone l’Universo primordiale. Queste onde si bloccarono circa 380.000 anni dopo il big bang, quando gli elettroni e i protoni del plasma si legarono in atomi neutri. Questo congelamento alla fine ha provocato oscillazioni sottili e periodiche nella densità delle galassie: scegli una galassia e avrai un po ‘più probabilità di trovare altre galassie a una distanza specifica da essa, una distanza chiamata scala acustica.

Poiché la scala acustica al momento del congelamento può essere calcolata da principi primi, “È come avere un metro di riferimento impresso nell’universo“, afferma il regista DESI Michael Levi. La scala acustica aumentò con l’espansione dell’Universo, quindi ora è quasi mezzo miliardo di anni luce. I ricercatori possono seguire come questo parametro è cambiato nel tempo studiando le galassie in una serie di spostamenti verso il rosso.
Levi afferma che l’utilizzo di BAO per determinare la storia dell’ espansione dell’Universo è meno soggetto a errori sistematici rispetto all’interpretazione delle misurazioni di supernova, che richiede una modellizzazione dettagliata delle esplosioni stellari. Misurare la scala acustica, tuttavia, è tutt’altro che semplice. Per misurarlo con precisione, è necessario osservare un gran numero di galassie in miliardi di anni luce. I precedenti sondaggi BAO hanno mappato circa 2,5 milioni di galassie. DESI supererà la precisione di questi sondaggi mappando oltre 35 milioni di galassie e 2,4 milioni di quasar, nuclei galattici estremamente luminosi e distanti. Da tali mappe, DESI ricostruirà gli ultimi 11 miliardi di anni di espansione dell’universo. “È come fare una scansione MRI 3D dell’Universo“, afferma Levi.
DESI sarà in grado di misurare un numero così elevato di oggetti grazie alla tecnologia robotica. Sul piano focale del telescopio, 5000 fibre ottiche raccolgono ciascuna luce da una galassia e inviano la luce a uno spettrometro, che fornirà il redshift della galassia. Ogni 20 minuti, i 5000 posizionatori robotici riallineano le estremità delle fibre, indicandole a una nuova serie di galassie e attraversando oltre 100.000 galassie ogni notte. Per preparare il terreno a DESI, tre precedenti sondaggi hanno osservato un terzo del cielo, raccogliendo immagini di oltre un miliardo di galassie, da cui sono stati selezionati gli obiettivi più promettenti per il DESI. Questi dati sono raccolti in un Sky Viewer online pubblicamente disponibile .
DESI ha aperto gli occhi al cielo notturno nell’ottobre 2019 e i suoi scienziati e ingegneri hanno testato e calibrato lo strumento.

Altri modi per misurare l’energia oscura
Oltre alle supernovae e ai BAO, ci sono altre due importanti tecniche per studiare l’energia oscura. Uno sta contando gli ammassi di galassie: l’abbondanza degli ammassi varia nel tempo a seconda del mix cosmico di materia e energia oscura. L’altro sono misurazioni di lente gravitazionale debole, che mappano la distribuzione della materia oscura in base alla sua sottile distorsione dello spaziotempo e alle conseguenti distorsioni delle forme e delle posizioni delle galassie osservate. Il conteggio dei cluster e la lente debole – entrambi misurati in funzione del redshift – riveleranno come l’espansione accelerata ha cambiato la crescita delle strutture della materia oscura e visibile.
“La gente era solita combattere su quale delle quattro tecniche fosse la migliore“, afferma il cosmologo Andreas Albrecht dell’Università della California, Davis. “Oggi crediamo che la combinazione di diverse tecniche sia molto più potente di ogni singola tecnica“. Mark Kamionkowski, fisico teorico alla Johns Hopkins University di Baltimora, è d’accordo e si riferisce a una famosa parabola del Sud Asia. “Se ci concentrassimo su un solo osservabile, saremmo come uno di quei sei ciechi che cercano di capire cos’è un elefante toccando solo una delle sue parti“.
Seguendo questa filosofia, le prossime strutture includono una varietà di esperimenti che sfrutteranno l’intero spettro di osservabili di energia oscura. L’Agenzia spaziale europea lancerà Euclid nel 2022 e la NASA prevede di lanciare WFIRST nel 2025. Questi due satelliti applicheranno tutte e quattro le tecniche eseguite con alta risoluzione dallo spazio. A terra, la prossima grande novità è il telescopio sinottico a grande apertura, un telescopio ottico da 6,5 ​​m che dovrebbe essere operativo nel 2022. Sebbene non abbia le capacità spettroscopiche di DESI, sarà in grado di vedere molti altri oggetti deboli di qualsiasi sondaggio esistente, scrutando più a fondo il passato dell’Universo.
Migliori interazioni con i dati e tra scienziati
L’ottimismo di Perlmutter non è motivato solo dalla nuova tecnologia di misurazione, ma anche dai notevoli miglioramenti nel modo in cui i ricercatori gestiscono i dati. Ha citato i progressi chiave in diverse aree: i ricercatori sono migliorati nel comprendere come gli errori casuali e sistematici influenzano gli esperimenti; gli strumenti di apprendimento automatico sono stati sempre più applicati all’analisi dei big data; e i progressi nelle cosiddette tecniche di accecamento hanno permesso ai ricercatori di prevenire meglio i pregiudizi che influiscono sul loro trattamento dei dati.
Vi sono stati anche importanti “cambiamenti sociologici“: le collaborazioni stanno adottando sempre più filosofie di scienza aperta, condividendo pubblicamente tutti i loro dati in tempo reale. L’astrofisico Wendy Freedman dell’Università di Chicago ha affermato che molti giovani ricercatori stanno entrando nell’arena dell’energia oscura, provenienti da altre aree, come la fisica delle particelle, e introducendo nuove tecniche. “Questi sono tempi in cui otteniamo una fertile impollinazione incrociata di idee da diversi campi”, ha detto.
Albrecht si è meravigliato dei cambiamenti negli ultimi decenni. “Quando sono entrato nel campo, c’erano molte grandi domande e nessun modo di rispondere. La trasformazione della cosmologia in una scienza di precisione è stata davvero esaltante “, ha affermato. Mentre Perlmutter ha ammesso che non vi è alcuna garanzia che il nuovo livello di precisione sarà sufficiente per vedere qualcosa di nuovo, “una svolta sembra una cosa naturale che accadrà presto“, ha detto.
https://physics.aps.org/articles/v13/1