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.
Questo grafico illustra come funziona il redshift cosmologico e come offre informazioni sull’evoluzione dell’universo. L’universo si sta espandendo e quell’espansione estende la luce che viaggia attraverso lo spazio. Più siallunga, maggiore è il redshift e maggiore è la distanza percorsa dalla luce. Di conseguenza, abbiamo bisogno di telescopi con rivelatori a infrarossi per vedere la luce delle prime galassie ormai lontanissime. Credito: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)
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
