La più grande indagine sull’universo di sempre sfida la cosmologia come la conosciamo?

Da quando gli umani studiano l’Universo, abbiamo desiderato conoscere le risposte alle domande più grandi di tutte. Che cosa, esattamente, c’è là fuori nell’abisso dello spazio profondo? Da dove è venuto tutto? Di cosa è fatto e come è diventato così? E, inoltre, quale sarà il suo destino ultimo?

A partire dagli anni ’20, abbiamo iniziato ad accumulare prove sufficienti per iniziare a trarre conclusioni solide sulla natura e sul comportamento dell’Universo, identificando le galassie oltre la nostra Via Lattea, misurando le loro distanze e spostamenti verso il rosso e determinando che l’Universo si sta espandendo.

È passato quasi un secolo da allora e il livello di precisione con cui misuriamo l’Universo è aumentato notevolmente. Nel 2018, ad esempio, la collaborazione Planck ha pubblicato i risultati finali delle più squisite misurazioni di tutto il cielo delle fluttuazioni di temperatura nel Cosmic Microwave Background: il bagliore residuo del Big Bang.

I suoi risultati ci hanno detto di cosa è fatto l’Universo, qual è la sua storia di espansione e quale sarà il suo destino finale.

Ma i segnali che ci dicono la composizione e la storia dell’espansione dell’Universo dovrebbero essere impressi anche nelle galassie di tutto l’Universo, e il più grande sondaggio di questo tipo mai condotto è il Dark Energy Survey, che ha appena pubblicato i suoi ultimi risultati.

Quanto bene questi dati corrispondono all’immagine che abbiamo messo insieme finora? Scopriamolo.

• la densità di energia si diluisce, poiché la radiazione e la materia (sia normale che oscura) diventano meno dense all’aumentare del volume,
• anche la velocità di espansione, determinata dalla densità energetica totale, cambia (diminuendo) con il tempo,
• enormi grumi di materia crescono tramite l’attrazione gravitazionale, cambiando il modo in cui lo spazio nelle vicinanze piega la luce di fondo,
• e ogni volta che osserviamo un fotone che è stato emesso a una lunga distanza, la luce che finiamo per misurare ha impresso su di esso gli effetti gravitazionali cumulativi in ​​gioco, inclusa l’espansione dell’Universo, le lenti gravitazionali e i cambiamenti nel potenziale gravitazionale degli oggetti ha incontrato lungo il suo viaggio verso di noi.

Questa è la grande idea dietro l’utilizzo dei sondaggi galattici per aiutare a dedurre cosa c’è là fuori nell’Universo. Invece di usare un segnale da una “istantanea” nel passato dell’Universo – che è ciò che ci dà il Cosmic Microwave Background, per esempio – possiamo guardare indietro a un’ampia varietà di “istantanee” nel tempo osservando il comportamento e le proprietà di galassie a distanze diverse da noi.

La chiave è capire che, su scale più grandi, la fisica che governa l’Universo diventa in realtà relativamente semplice rispetto a ciò che otteniamo osservando strutture individuali su piccola scala.

Sulla scala di una singola galassia, ad esempio, ci sono enormi complessità da considerare. Gas e polvere interagiscono con la luce delle stelle; la radiazione ultravioletta può ionizzare la materia nel mezzo interstellare; le nubi di gas collassano, innescando la formazione di nuove stelle; quando la materia si riscalda, colpisce la materia oscura nel nucleo galattico; se la formazione stellare diventa troppo intensa, la materia normale all’interno può essere espulsa.

Eppure, nonostante tutto questo disordine e la complessa interazione della materia oscura con la fisica della materia normale, le singole galassie non possono ancora dirti nulla sull’energia oscura.

Quando si osserva come le galassie si raggruppano insieme su grandi scale cosmiche, tuttavia, ci sono in realtà molte meno complessità poco conosciute che si frappongono.

Sulle scale più grandi – diciamo, scale di poche decine di milioni di anni luce o più – puoi modellare l’Universo in modo abbastanza semplicistico e ottenere comunque alcune previsioni molto potenti per i tuoi problemi.

Puoi trattare la materia oscura come un fluido senza collisioni, che gravita ma non risponde a nessun’altra forza. Puoi modellare la materia normale come massiccia ma con autointerazioni e con accoppiamenti a fotoni. Puoi trattare i fotoni come un bagno di radiazioni che esercita pressione e si disperde dalla materia normale, ma non dalla materia oscura. E puoi anche incorporare l’energia oscura, e quindi eseguire le tue simulazioni dai primi tempi fino ai giorni nostri inclusi.

L’idea è quella di creare un ampio set di “cataloghi fittizi” di galassie basati su leggere differenze nei parametri cosmologici. Puoi quindi valutarli in base a qualsiasi criterio osservabile tu scelga.

Come si raggruppano le galassie? Di quanto la presenza di massa distorce le forme apparenti medie delle galassie? E cosa succede quando cerchiamo di correlare in modo incrociato le sorgenti di lensing con le posizioni reali delle galassie nel nostro catalogo? Le risposte sono molto sensibili alla composizione dell’Universo che scegliamo di considerare.

Questo è tutto dal lato della teoria. Esegui simulazioni, le valuti ed estrai quali insiemi di osservabili corrispondono a essere coerenti o incoerenti con ciascuno di essi.

Fisica ed astrofisica nell’osservazione dell’Universo

Ma l’astrofisica è un po’ diversa dalla fisica. Mentre la fisica è una scienza sperimentale, l’astrofisica è una scienza osservativa. Puoi mettere alla prova l’Universo solo nella misura in cui puoi osservarlo. A meno che le tue osservazioni non siano complete e impeccabili, il che significa che puoi vedere tutto esattamente com’è, hai un gran numero di effetti di cui devi tenere conto.

Ad esempio, le tue osservazioni:

• sono limitate dalla risoluzione, poiché gli oggetti troppo vicini tra loro appariranno come un’unica fonte,
• sono limitate dalla luminosità, poiché gli oggetti troppo deboli non appariranno,
• sono limitate dallo spostamento verso il rosso, poiché un oggetto troppo gravemente spostato verso il rosso non rientrerà più nell’intervallo di sensibilità del telescopio,
• hanno fattori di confusione in gioco, come non essere in grado di distinguere, per i singoli oggetti, quanto dello spostamento verso il rosso è dovuto al movimento di una galassia rispetto a quanto è dovuto all’espansione dell’Universo, e una serie di altri fattori.

Tuttavia, la chiave per collegare teoria e osservazione è tenere conto di tutti questi problemi al meglio delle proprie capacità, quindi confrontare il set di dati osservato e analizzato con quelli generati/simulati teoricamente e vedere cosa si può imparare su l’universo.

Il 27 maggio 2021, la collaborazione Dark Energy Survey ha pubblicato una serie di documenti – 26 in totale (su un previsto 30, quindi altri 4 devono ancora venire) – che dettagliano i risultati del più grande sondaggio sulla galassia di tutti i tempi.

In totale, hanno rilevato 5.000 gradi quadrati di area, o l’equivalente di circa ⅛ dell’intero cielo. Hanno ottenuto dati su circa 226 milioni di galassie, di cui circa 100 milioni utili per comprendere il taglio cosmico (la distorsione della forma delle galassie).

Forse ancora più importante, sono stati in grado di porre dei vincoli, sulla base di questi dati, su una serie di importanti parametri cosmologici. Questi includono:

• qual è la quantità totale di materia (normale e oscura, combinata) nell’Universo?
• qual è l’equazione di stato dell’energia oscura, ed è coerente con una costante cosmologica?
• ci sono prove evidenti a supporto di un tasso di espansione maggiore (~73-74 km/s/Mpc) o inferiore (~67 km/s/Mpc)?
• e ci sono altri parametri che sono in conflitto con i parametri desunti da altre osservazioni, come la dimensione della scala acustica o l’ampiezza del clustering?

Dopotutto, se vogliamo affermare che comprendiamo di cosa è fatto l’Universo e quale deve essere il suo destino, le diverse linee di prova che raccogliamo dovrebbero puntare tutte alla stessa immagine complessiva e autoconsistente.

Per essere chiari, il team di Dark Energy Survey ha fatto davvero i compiti. Ci sono articoli specifici su una varietà di aspetti importanti da affrontare, tra cui procedure accecanti quando vengono utilizzate più sonde cosmiche, test di coerenza interna con distribuzioni predittive posteriori e come quantificare le tensioni tra Dark Energy Survey (rilievo sulla galassia) e dati di Planck (CMB).

Ci sono anche articoli su come affrontare la sistematica, su come calibrare correttamente i propri dati per ciascuno dei tre indicatori che stanno utilizzando e su come tenere conto di varie forme di distorsione.

Alla fine, questo team di centinaia di scienziati ha sintetizzato insieme il più grande set di dati galattici mai realizzato per questi scopi cosmologici e ha ottenuto alcuni risultati spettacolari. In particolare, alcuni punti salienti sono:

• la densità totale della materia è compresa tra il 31% e il 37% della densità critica, mentre Planck ha dato ~ 32%,
• l’equazione di stato dell’energia oscura è -0,98 (con incertezze intorno al 20%), mentre Planck ha dato -1,03 e una costante cosmologica è esattamente -1,00,
• il valore privilegiato per il tasso di espansione, mentre Planck da solo dava 67,4 km/s/Mpc, ora sale a 68,1 km/s/Mpc quando vengono ripiegati i dati del Dark Energy Survey,
• e la più grande “tensione” con Planck nasce nel valore di ciò che i cosmologi chiamano S₈ , che si può pensare come quanto fortemente l’Universo si ammassa insieme, poiché i dati del Dark Energy Survey favoriscono un valore di 0,776, mentre Planck in precedenza aveva favorito un valore di 0,832 (Combinati, i risultati producono un valore di 0,815, esattamente tra i due).

Se dovessi chiedere a me, un cosmologo teorico che non fa parte della collaborazione del Dark Energy Survey, cosa significa tutto questo, probabilmente riassumerei i risultati in tre punti.

1. I dati della Dark Energy Survey, la più grande indagine galattica mai condotta finora, hanno confermato e perfezionato, attraverso tre metodi indipendenti, il modello cosmologico standard.
2. Quando Planck e Dark Energy Survey sono presi insieme, otteniamo un’immagine che è sostanzialmente invariata dai soli dati di Planck: densità di materia simile, supporto simile per l’energia oscura che è una costante cosmologica, tasso di espansione simile e uno spostamento molto, molto leggero a quello che chiamiamo ampiezza di clustering.
3. E gli sviluppi che sono stati fatti su come gestire un’enorme quantità di dati di questo tipo saranno utili mentre guardiamo al futuro delle indagini su grandi galassie, tra cui Euclid dell’ESA, Vera Rubin Observatory dell’NSF e Nancy Roman Telescope della NASA.

In effetti, la sorpresa più grande che hanno incontrato è stata che l’ampiezza del clustering e le ampiezze di lente, che dovrebbero corrispondere, sembravano non essere d’accordo. Sebbene questo sia stato discusso a lungo nella Sezione V del documento sui risultati principali, sono necessarie ulteriori indagini su cosa potrebbe causare o spiegare questo problema.

Ma questa non è una giustificazione per i titoli assurdi che sono seguiti, con molti che propagandano un mistero cosmico che, come ha affermato il dottor Niall Jeffrey del team di Dark Energy Survey, “se questa disparità è vera, allora forse Einstein si sbagliava“.

Anche Carlos Frenk, un cosmologo non associato al Dark Energy Survey, è stato citato, affermando: “Ho passato la mia vita a lavorare su questa teoria e il mio cuore mi dice che non voglio vederla crollare. Ma il mio cervello mi dice che le misurazioni sono corrette e dobbiamo esaminare la possibilità di una nuova fisica“.

È improbabile che queste affermazioni, basate sull’esperienza, abbiano successo per una serie di motivi. Prima di tutto, questa è la prima volta che abbiamo mai compilato o estratto dati da un catalogo così grande e un gran numero di nuovi metodi e tecniche vengono sperimentati per la prima volta.

In secondo luogo, il campione di galassie utilizzato per calcolare i componenti discrepanti era solo una piccola frazione del numero totale di galassie; possiamo essere certi che sia stato selezionato il campione giusto? T

erzo, c’è un numero enorme di proprietà che si trovano in accordo spettacolare con il modello di concordanza; perché dovremmo concentrare tutta l’attenzione su una parte – con un significato discutibile alla fine sistematica – che non corrisponde?

E quarto, anche se non corrisponde, se vuoi ottenere titoli, occhi e attenzione, basta dire quelle tre parole magiche: “Einstein si sbagliava“.

Non avrai ragione, ovviamente; nessuno finora è riuscito a smentire Einstein.

La relatività, sia la forma speciale che quella generale, ha superato tutti i test cui l’abbiamo sottoposta per più di un secolo, e gli scienziati hanno probabilmente cercato di dimostrare che Einstein si sbagliava più che con qualsiasi altro scienziato nella storia.

Ora, nell’ambito della Relatività Generale e di fronte alla più grande indagine galattica mai realizzata, affermeremo che “Einstein si sbagliava” invece di guardare alla possibilità molto più probabile: che non abbiamo gestito questo diluvio senza precedenti di dati correttamente nell’unico caso in cui si manifesta una discrepanza piccola ma significativa?

La verità è che abbiamo un enorme nuovo set di dati preziosi e possiamo estrarre una fantastica quantità di informazioni sull’Universo da esso.

La natura e la quantità di materia oscura ed energia oscura sono state confermate; il tasso di espansione dell’Universo si allinea esattamente con quanto affermato da studi precedenti; e l’ampiezza del clustering è leggermente inferiore a quanto previsto.

È dubbio, tuttavia, che questo sia un segno di nuova fisica; semmai, è un problema indagare ulteriormente e fare un controllo incrociato con altre indagini sulle galassie. Se risultasse esserci qualcosa cui vale davvero la pena dare una seconda occhiata, dati migliori e più numerosi ci mostreranno la strada.