Una nuova mappa della materia oscura convalida la teoria della relatività generale di Einstein

Per millenni, gli esseri umani sono stati affascinati dai misteri del cosmo.

A differenza degli antichi filosofi che potevano solo immaginare le origini dell’universo, i cosmologi moderni usano strumenti quantitativi per ottenere informazioni sulla sua evoluzione e struttura. La cosmologia moderna risale all’inizio del XX secolo, con lo sviluppo della teoria della relatività generale di Albert Einstein.

La nuova mappa utilizza la luce del fondo cosmico a microonde (CMB) essenzialmente come retroilluminazione per delineare tutta la materia tra noi e il Big Bang.

“È un po’ come la sagomatura, ma invece di avere solo il nero nella sagoma, hai consistenza e grumi di materia oscura, come se la luce fluisse attraverso una tenda di tessuto con molti nodi e protuberanze“, hanno spiegato Suzanne Staggs, direttore dell’ACT e Henry DeWolf Smyth. Professore di Fisica all’Università di Princeton. “La famosa immagine CMB blu e gialla del 2003 è un’istantanea di com’era l’universo in una singola epoca, circa 13 miliardi di anni fa, e ora ci fornisce le informazioni su tutte le epoche successive“.

“È un brivido poter vedere l’invisibile, scoprire questa impalcatura di materia oscura che sostiene le nostre galassie visibili piene di stelle“, ha detto Jo Dunkley, professore di fisica e scienze astrofisiche, che guida l’analisi per ACT. “In questa nuova immagine, possiamo vedere direttamente l’invisibile rete cosmica di materia oscura che circonda e collega le galassie“.

“Di solito, gli astronomi possono misurare solo la luce, quindi vediamo come le galassie sono distribuite nell’universo; queste osservazioni rivelano la distribuzione della massa, quindi mostrano principalmente come la materia oscura è distribuita attraverso il nostro universo“, ha affermato David Spergel, Charles A. Young Professor of Astronomy di Princeton alla Class of 1897 Foundation, emerito, e presidente della Simons Foundation .

“Abbiamo mappato la distribuzione invisibile della materia oscura attraverso il cielo, ed è proprio come previsto dalle nostre teorie“, ha detto il coautore Blake Sherwin, professore di cosmologia all’Università di Cambridge, dove guida un nutrito gruppo di ricercatori dell’ACT. “Questa è una prova sbalorditiva che comprendiamo la storia di come la struttura del nostro universo si è formata nel corso di miliardi di anni, da subito dopo il Big Bang ad oggi“.

Ha aggiunto: “Sorprendentemente, l’80% della massa nell’universo è invisibile. Mappando la distribuzione della materia oscura attraverso il cielo fino alle distanze maggiori, le nostre misurazioni del lensing ACT ci consentono di vedere chiaramente questo mondo invisibile”.

“Quando abbiamo proposto questo esperimento nel 2003, non avevamo idea dell’intera portata delle informazioni che potevano essere estratte dal nostro telescopio“, ha affermato Mark Devlin, Reese Flower Professor of Astronomy presso l’Università della Pennsylvania e vicedirettore di ACT, che è stato un postdoc a Princeton dal 1994 al 1995. “Lo dobbiamo all’intelligenza dei teorici, alle molte persone che hanno costruito nuovi strumenti per rendere il nostro telescopio più sensibile e alle nuove tecniche di analisi che il nostro team ha escogitato“. Ciò include un nuovo modello sofisticato del rumore strumentale di ACT dello studente laureato di Princeton Zach Atkins.

Nonostante costituisca la maggior parte dell’universo, la materia oscura è stata difficile da rilevare perché non interagisce con la luce o altre forme di radiazione elettromagnetica. Per quanto ne sappiamo, la materia oscura interagisce solo con la gravità.

Per rintracciarla, gli oltre 160 collaboratori che hanno costruito e raccolto dati dall’Atacama Cosmology Telescope della National Science Foundation nelle Ande cilene hanno osservato la luce emanata dopo l’alba della formazione dell’universo, il Big Bang, quando l’universo aveva solo 380.000 anni. Anni. I cosmologi spesso si riferiscono a questa luce CMB diffusa che riempie il nostro intero universo come “l’immagine infantile dell’universo“.

Il team ha monitorato come l’attrazione gravitazionale di enormi strutture di materia oscura possa deformare la CMB nel suo viaggio di 13,8 miliardi di anni fino a noi, proprio come le finestre antiche piegano e distorcono ciò che possiamo vedere attraverso di esse.

“Abbiamo creato una nuova mappa della massa usando le distorsioni della luce rimaste dal Big Bang“, ha chiarito Mathew Madhavacheril, un postdoc di Princeton 2016-2018 che è l’autore principale di uno degli articoli e assistente professore di fisica e astronomia presso l’Università della Pennsylvania. “Sorprendentemente, fornisce misurazioni che mostrano che sia la ‘irregolarità’ dell’universo, sia la velocità con cui sta crescendo dopo 14 miliardi di anni di evoluzione, sono proprio ciò che ti aspetteresti dal nostro modello standard di cosmologia basato sulla teoria della gravità di Einstein”.

Sherwin ha aggiunto: “I nostri risultati forniscono anche nuove informazioni su un dibattito in corso che alcuni hanno chiamato ‘The Crisis in Cosmology'”. . Questi hanno prodotto risultati che suggeriscono che la materia oscura non fosse abbastanza grumosa secondo il modello standard della cosmologia e hanno portato a temere che il modello potesse essere violato. Tuttavia, gli ultimi risultati del team ACT hanno valutato con precisione che i grandi grumi visti in questa immagine hanno esattamente le dimensioni previste”.

“Mentre studi precedenti indicavano crepe nel modello cosmologico standard, le nostre scoperte forniscono una nuova rassicurazione sul fatto che la nostra teoria fondamentale dell’universo è giusta“, ha affermato Frank Qu, autore principale di uno degli articoli e studente laureato di Cambridge nonché ex Ricercatore in visita a Princeton.

“La CMB è già famosa per le sue misurazioni senza precedenti dello stato primordiale dell’universo, quindi queste mappe ricavate con la lente gravitazionale, che descrivono la sua successiva evoluzione, sono quasi imbarazzanti per la ricchezza di particolari“, ha detto Staggs, il cui team ha costruito i rivelatori che hanno raccolto questi dati nel corso del ultimi cinque anni.

“Ora abbiamo una seconda mappa molto primordiale dell’universo. Invece di una “crisi”, penso che abbiamo una straordinaria opportunità di utilizzare insieme questi diversi set di dati. La nostra mappa include tutta la materia oscura, che risale al Big Bang, e le altre mappe guardano indietro di circa 9 miliardi di anni, dandoci uno strato molto più vicino a noi. Possiamo confrontare le due mappe per conoscere la crescita delle strutture nell’universo. Penso che si rivelerà davvero interessante. Il fatto che i due approcci stiano ottenendo misurazioni diverse è affascinante”.

ACT, che ha operato per 15 anni, è stato dismesso nel settembre 2022. Tuttavia, si prevede che presto saranno presentati altri documenti che presentano i risultati della serie finale di osservazioni e l’Osservatorio Simons condurrà osservazioni future nello stesso sito, con un nuovo telescopio che dovrebbe iniziare le operazioni nel 2024. Questo nuovo strumento sarà in grado di mappare il cielo quasi 10 volte più velocemente di ACT.

Dei coautori della serie di articoli del team ACT, 56 sono o sono stati ricercatori di Princeton. Più di 20 scienziati che erano giovani ricercatori su ACT mentre erano a Princeton ora sono essi stessi scienziati della facoltà o del personale. Lyman Page, James S. McDonnell Distinguished University Professor in Physics di Princeton, è stato l’ex ricercatore principale dell’ACT.

Questa ricerca sarà presentata a “Future Science with CMB x LSS”, una conferenza che si terrà dal 10 al 14 aprile presso lo Yukawa Institute for Theoretical Physics, Università di Kyoto. Gli articoli di prestampa evidenziati qui appariranno su arXiv.org ad accesso aperto. Sono stati presentati all’Astrophysical Journal. Questo lavoro è stato sostenuto dalla US National Science Foundation (AST-0408698, AST-0965625 e AST-1440226 per il progetto ACT, oltre ai premi PHY-0355328, PHY-0855887 e PHY-1214379), Princeton University, University of Pennsylvania e un premio della Canada Foundation for Innovation. I membri del team dell’Università di Cambridge sono stati supportati dal Consiglio europeo della ricerca.