Un team di scienziati ha previsto il ritorno in risultati da una delle rivoluzionarie indagini pianificate per il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA, che analizzerà milioni di galassie sparse nello spazio e nel tempo. Gli enormi e profondi panorami della missione forniranno la migliore opportunità per discernere tra le principali teorie su ciò che sta accelerando l’espansione dell’universo.

Il Roman esplorerà questo mistero utilizzando più metodi, inclusa la spettroscopia, lo studio delle informazioni sul colore nella luce. Questa tecnica consentirà agli scienziati di misurare con precisione la velocità con cui l’universo si è espanso in diverse ere cosmiche e di tracciare come si è evoluto.

Questo video si dissolve tra sei cubi per mostrare la distribuzione simulata delle galassie ai redshift 9, 7, 5, 3, 2 e 1, con le corrispondenti età cosmiche mostrate. Man mano che l’universo si espande, la densità delle galassie all’interno di ciascun cubo diminuisce, da più di mezzo milione nel primo cubo a circa 80 nell’ultimo. Ogni cubo misura circa 100 milioni di anni luce. Le galassie si sono assemblate lungo vasti filamenti di gas separati da grandi vuoti, una struttura simile a schiuma echeggiata nell’universo di oggi su grandi scale cosmiche. Credito: Goddard Space Flight Center/F. Reddy e Z. Zhai, Y. Wang (IPAC) e A. Benson (Osservatorio Carnegie)

“Il nostro studio prevede che l’indagine spettroscopica del Roman consentirà di capire come vari aggiustamenti potrebbero ottimizzarne il design“, ha affermato Yun Wang, ricercatore senior presso Caltech/IPAC a Pasadena, in California, e autore principale dello studio.

In qualità di Roman Science Support Center, l’IPAC sarà responsabile dell’elaborazione dei dati scientifici spettroscopici della missione, mentre lo Space Telescope Science Institute di Baltimora sarà responsabile dell’elaborazione dei dati scientifici delle immagini, della generazione di cataloghi e del supporto per le pipeline di elaborazione dei dati cosmologici.

“Sebbene questa indagine sia progettata per esplorare l’accelerazione cosmica, offrirà anche indizi su molti altri misteri allettanti. Ci aiuterà a capire la prima generazione di galassie, ci permetterà di mappare la materia oscura e persino di rivelare informazioni su strutture che sono molto più vicine a noi”.

Questa animazione mostra la sequenza e il layout del pattern di piastrellatura del rilevamento spettroscopico ad alta latitudine del telescopio spaziale romano. Credit: Goddard Space Flight Center della NASA

Il Telescopio Spaziale Roman, previsto per il lancio entro maggio 2027, fornirà una visione così vasta dell’universo che aiuterà gli scienziati a studiare i misteri cosmici in un modo senza precedenti. Ogni immagine conterrà misurazioni precise di così tanti oggetti celesti che consentirà studi statistici che non sono pratici utilizzando telescopi con viste più ristrette.

Nei piani attuali, l’indagine spettroscopica di Roman coprirà quasi 2.000 gradi quadrati, ovvero circa il 5% del cielo, in poco più di sette mesi. I risultati del team hanno mostrato che l’indagine dovrebbe rivelare distanze precise per 10 milioni di galassie da quando l’universo aveva circa 3-6 miliardi di anni, poiché la luce che raggiunge il telescopio ha iniziato il suo viaggio quando l’universo era molto più giovane.

Queste misurazioni consentiranno agli astronomi di mappare la struttura su larga scala simile a una ragnatela del cosmo. L’indagine svelerà anche le distanze di 2 milioni di galassie ancora più antiche, nate quando l’universo aveva solo 2-3 miliardi di anni, un territorio inesplorato in una struttura cosmica su larga scala.

I risultati del team sono pubblicati su The Astrophysical Journal.

Quasi tutte le informazioni che riceviamo dallo spazio provengono dalla luce. Il Roman utilizzerà la luce per catturare le immagini, ma studierà anche la luce scomponendola in singoli colori. I modelli dettagliati di lunghezza d’onda, chiamati spettri, rivelano informazioni sull’oggetto che ha emesso la luce, inclusa la velocità con cui si sta allontanando da noi. Gli astronomi chiamano questo fenomeno “redshift” perché quando un oggetto si allontana, tutte le onde luminose che riceviamo da esso vengono allungate e spostate verso lunghezze d’onda più rosse.

Negli anni ’20, gli astronomi Georges Lemaître ed Edwin Hubble usarono il redshift per fare la sorprendente scoperta che, con pochissime eccezioni, le galassie si allontanano da noi e si allontanano l’una dall’altra a velocità diverse a seconda della loro distanza. Determinando la velocità con cui le galassie si stanno allontanando da noi, trasportate dall’incessante espansione dello spazio, gli astronomi possono scoprire quanto sono lontane: più lo spettro di una galassia è spostato verso il rosso, più essa è lontana da noi.

L’indagine spettroscopica del Roman creerà una mappa 3D dell’universo misurando distanze e posizioni accurate di milioni di galassie. Imparare come la distribuzione delle galassie varia con la distanza, e quindi con il tempo, ci darà una finestra sulla velocità con cui l’universo si è espanso nelle diverse ere cosmiche.

Questo studio collegherà anche le distanze delle galassie con gli echi delle onde sonore del big bang. Queste onde sonore, chiamate oscillazioni acustiche barioniche (BAO), sono cresciute nel tempo a causa dell’espansione dello spazio e hanno lasciato la loro impronta nel cosmo influenzando la distribuzione delle galassie.

Guardare più lontano nell’universo, ai tempi cosmici precedenti, significa che questa distanza fisica preferita tra le galassie – le vestigia delle increspature BAO – diminuisce. Ciò fornisce una misurazione della storia dell’espansione dell’universo. I redshift delle galassie codificano anche le informazioni sul loro movimento dovuto alla gravità dei loro vicini, chiamate distorsioni spaziali del redshift, che aiutano gli astronomi a tracciare la storia della crescita di strutture su larga scala.

L’apprendimento del modo in cui il cosmo si è espanso e di come la struttura è cresciuta al suo interno nel tempo consentirà agli scienziati di esplorare la natura dell’accelerazione cosmica e di testare la teoria della gravità di Einstein sull’età dell’universo.

Energia Oscura contro Gravità Modificata

Man mano che l’universo si espande, la gravità della materia al suo interno dovrebbe rallentarne l’espansione. Gli astronomi sono rimasti sorpresi nell’apprendere che l’espansione dell’universo sta accelerando perché significa che qualcosa nella nostra immagine del cosmo è sbagliata o incompleta. Il mistero potrebbe essere spiegato aggiungendo una nuova componente energetica all’universo, che gli scienziati hanno soprannominato energia oscura, oppure potrebbe indicare che la teoria della gravità di Einstein – la teoria della relatività generale – necessita di una modifica.

Cambiare le equazioni che descrivono qualcosa di così fondamentale come la gravità può sembrare estremo, ma è già stato fatto. La legge di gravità di Isaac Newton non può spiegare alcune delle cose osservate dagli astronomi, come un piccolo ma misterioso movimento nell’orbita di Mercurio.

Alla fine gli astronomi si resero conto che la teoria della relatività generale di Einstein spiegava perfettamente i problemi emersi, come lo spostamento dell’orbita di Mercurio. Il passaggio dalla descrizione della gravità di Newton a quella di Einstein ha comportato la trasformazione della fisica moderna cambiando il modo in cui vediamo lo spazio e il tempo: interconnessi, invece che separati e costanti.

L’accelerazione cosmica potrebbe essere un segno che la teoria della gravità di Einstein non è ancora del tutto corretta. La relatività generale è estremamente ben testata su scale fisiche circa le dimensioni del nostro sistema solare, ma meno quando ci spostiamo su scale cosmologiche più grandi. Il team ha simulato la performance del Roman e ha dimostrato che le enormi e profonde immagini 3D dell’universo della missione forniranno una delle migliori opportunità per discernere tra le principali teorie che tentano di spiegare l’accelerazione cosmica.

“Possiamo aspettarci una nuova fisica in entrambi i casi, sia che apprendiamo che l’accelerazione cosmica è causata dall’energia oscura o che scopriamo che dobbiamo modificare la teoria della gravità di Einstein“, ha detto Wang. “Roman metterà alla prova entrambe le teorie allo stesso tempo“.

Riferimento: “The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope” di Yun Wang, Zhongxu Zhai, Anahita Alavi, Elena Massara, Alice Pisani, Andrew Benson, Christopher M. Hirata, Lado Samushia, David H. Weinberg, James Colbert , Olivier Doré, Tim Eifler, Chen Heinrich, Shirley Ho, Elisabeth Krause, Nikhil Padmanabhan, David Spergel e Harry I. Teplitz, 22 marzo 2022, The Astrophysical Journal .
DOI: 10.3847/1538-4357/ac4973

Abbiamo una visione molto parziale e ristretta dell’universo e quando ci soffermiamo a scrutarlo esso sembra estendersi all’infinito. Ma le nostre percezioni, come è stato dimostrato, spesso non sono corrette offrendoci una visione distorta del mondo che ci circonda.

Da molto tempo siamo a conoscenza della forma sferica della Terra, ritenuta piatta da chi si soffermava, e si sofferma ancora oggi, alla sola osservazione, ferma al centro del creato con il Sole, la Luna e la sfera celeste che ruotano dando il giorno e la notte e segnano lo scorrere del tempo.

Ma che forma ha l’universo, come si sviluppano localmente le geometrie e come queste sono correlate in una forma generale? La cosmologia insegna che l’universo osservabile è omogeneo almeno in prima approssimazione, il tessuto dello spaziotempo è simile in ogni punto e in ogni direzione lo si osservi e può essere descritto solo da tre geometrie: Geometria piatta, sferica e iperbolica.

Quale di esse, però, spiega meglio il nostro universo?

Geometria piatta

Con “l’universo piatto” abbiamo una geometria dello spazio di tipo euclideo, cioè a curvatura nulla. Nella geometria euclidea la somma degli angoli interni di un triangolo è di 180 gradi, cioè appunto l’angolo piatto.
“Universo piatto” non significa a due dimensioni, ma semplicemente una geometria di tipo euclideo.

Ma possiamo considerare altre forme di spazio piatto. Con un po’ di intuito ed escludendo una dimensione possiamo ricavare altre forme a partire dal piano euclideo. Da una porzione di esso possiamo ricavare un rettangolo e chiudendone i bordi possiamo creare un cilindro. Unendo le estremità del cilindro otteniamo un toroide, anche se è impossibile ottenerlo utilizzando un foglio di carta perché il toro verrebbe strappato sulla parte esterna della ciambella e raggrinzito in quella interna, distorcendone la geometria.

Anche in questo caso dobbiamo creare la figura nell’astratto e una volta fatto immaginiamo un essere bidimensionale sulla sua superficie. Su piccola scala la geometria euclidea resterebbe immutata, ma a grande scala cambierebbero molte cose, vedremo delle linee che partendo da un punto tornerebbero allo stesso punto richiudendosi.

I percorsi apparentemente curvi, per un essere bidimensionale sarebbero rettilinei, perciò i raggi di luce viaggiando in maniera rettilinea tornerebbero al punto di partenza, in pratica un essere bidimensionale guardando davanti a se vedrebbe la sua nuca! Svolgendo nuovamente il foglio si osserverebbe che, entrando da un bordo e uscendo dal bordo prospicente, sembrerebbe di entrare in una nuova porzione di spazio proprio come in un videogame; viaggiando in questo tipo di universo si potrebbe percorrere una serie infinita di porzioni di spazio identiche o allo stesso modo vedere infinite copie di se stessi.

Questo tipo di geometria è stata utilizzata per misurare la distribuzione angolare della radiazione cosmica di fondo che rappresenta la prova fondamentale del modello del Big Bang caldo.

Le osservazioni hanno dimostrato che la radiazione è altamente isotropa con delle fluttuazioni di 1 su 100.000 che corrispondono alle fluttuazioni presenti nel gas caldo primordiale al momento stesso in cui la radiazione si è disaccopiata dal gas per viaggiare nell’universo.

La dimensione spaziale massima presente nelle fluttuazioni di densità non poteva essere superiore al diametro stesso dell’universo in quell’epoca, cioè dopo circa 380 mila anni dopo il Big bang. Dopo 14 miliardi di anni grazie alle equazioni della relatività generale possiamo seguire le traiettorie di quella radiazione nell’universo in espansione in dipendenza della curvatura dello spaziotempo.

Si calcola che le dimensioni massime delle fluttuazioni ora sottenderebbero un angolo di circa ½ grado nel caso di uno spazio con curvatura nulla, cioè euclideo o piatto, ed è quello che si è trovato con le misure di BOOMEranG nel 2002 e successivamente confermato con il satellite WMAP.

Geometria sferica

La superficie di una sfera è una superficie bidimensionale e ne conosciamo diversi esempi, la Terra è uno di questi.

Ma come immaginare una sfera tridimensionale? Non è semplice e dobbiamo perciò ricorrere a una analogia. Come una sfera bidimensionale è un insieme di punti posti alla stessa distanza da un centro comune, una sfera tridimensionale è un insieme di punti posti alla stessa distanza da un punto centrale quadrimensionale.

Ora proviamo a immaginare di vivere sulla superficie di una sfera bidimensionale che rappresenta l’intero universo conosciuto, dove un raggio di luce percorre la distanza più breve possibile tra due punti sulla sfera che per noi esseri a due dimensioni è una linea retta.

Ora immaginiamo di trovarci al polo nord di una sfera con un amico che si allontana da noi raggiungendo l’equatore. Il nostro amico allontanandosi rimpicciolirebbe con l’aumentare del cerchio visivo che diventerebbe sempre più ampio per essere “massimo” all’equatore. Una volta che il nostro amico passa l’equatore succede qualcosa di strano, inizia a ingrandirsi nonostante si allontani da noi, questo perché il cerchio inizia nuovamente a restringersi e lui ne occupa quindi una porzione più ampia e avvicinandosi sempre più al polo sud ci apparirebbe sempre più grande, come lo era a poca distanza dal polo nord.

Ma in questo tipo di universo piatto non è poi così strano in quanto i raggi di luce che partono dalla nostra posizione compiranno un percorso rettilineo fino a raggiungerci nuovamente.

In una sfera tridimensionale ogni punto ne ha uno opposto e vedremo ogni oggetto occupare l’intero sfondo. Il nostro universo è sferico? Non lo sappiamo, ma non possiamo escluderlo del tutto in quanto esso potrebbe essere più grande dell’universo osservabile, in questo modo lo sfondo sarebbe troppo lontano per essere osservato.

Tuttavia a differenza di un universo toroidale un universo sferico potrebbe essere misurato mediante rilevazioni locali in quanto le linee rette della geometria sferica sono dei cerchi molto grandi e la somma degli angoli interni di un triangolo sarebbero maggiori di 180°. La questione è ancora controversa perché misurazioni e test sullo sfondo cosmico a microonde e altri test sulla curvatura indicano che l’universo potrebbe essere approssimativamente piatto anche se alcuni dati rilasciati dal telescopio spaziale Plank indicherebbero un universo sferico.

Geometria iperbolica

La geometria iperbolica si incurva verso l’esterno all’infinito proprio come la geometria piatta anche se non si può adattare una distesa iperbolica all’interno di uno spazio euclideo a meno di distorcerne la geometria come in un disco di Poincarè.

Se lo si osserva, i triangoli posti sul bordo sembrano più piccoli di quelli al centro anche se nella geometria iperbolica i triangoli sono tutti uguali. Utilizzando un materiale elastico potremo realizzare i triangoli delle stesse dimensioni tanto che lo spazio iperbolico inizierebbe a somigliare a un cappello con un’ampia tesa.

Nella geometria iperbolica il cerchio al confine si troverebbe infinitamente lontano da ogni punto al suo interno perché per essere raggiunto si dovrebbero attraversare un numero infinito di triangoli. Questo piano si estenderebbe all’infinito proprio come un piano euclideo anche se la geometria locale del piano iperbolico sarebbe completamente diversa da quella a cui siamo abituati.

Nel piano euclideo una circonferenza è direttamente proporzionale al raggio, mentre in un piano iperbolico il rapporto tra raggio e circonferenza è esponenziale e questo lo si può dedurre dal numero dei triangoli ammassati lungo il confine.

Se ci poniamo in un punto del piano iperbolico e osserviamo un compagno allontanarsi lo vedremo rimpicciolire in modo esponenziale. Da notare come in un piano iperbolico gli angoli di un triangolo diano una somma minore di 180°.

I triangoli del piano di Poincarè sembrano quindi incurvati, ma per un essere che vi abitasse sarebbero diritti e il modo più veloce per raggiungere da un punto posto sul bordo un’altro punto posto sul bordo stesso sarebbe quello di passare verso il centro del piano iperbolico.

Il nostro universo, però, non sembra essere iperbolico, in quanto le osservazioni finora fatte sembrano escluderlo.

Tuttavia, non possiamo eliminare del tutto di vivere in un mondo sferico o iperbolico perché su piccola scala questi universi sembrano essere piatti proprio come ciò che gli scienziati ora osservano.

Il nostro universo potrebbe essere cosi vasto da essere, su grande scala, iperbolico o sferico ma risultare approssimativamente piatto in piccola scala.

Fonte: Quanta Magazine