Il telescopio spaziale Romano Nancy Grace della NASA non verrà lanciato fino al 2027 e non inizierà a funzionare fino a qualche tempo dopo. Ma questo non impedisce agli scienziati entusiasti di sognare il loro nuovo giocattolo e tutto ciò che farà. Chi può biasimarli?
Un nuovo studio esamina in dettaglio il potere del telescopio spaziale Roman per vedere se può aiutarci a rispondere a una delle nostre domande più significative sull’Universo: l’Universo continuerà ad espandersi fino a un Big Rip? La NASA non ha ancora finalizzato il progetto della missione del Telescopio Roman. C’è ancora spazio per modificare le cose e questo studio è uno sforzo per esplorare come potrebbero modificarlo per ottenere i migliori risultati.
Lo studio è “The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope“, pubblicato su The Astrophysical Journal. L’autore principale è Yun Wang, ricercatore senior presso Caltech/IPAC a Pasadena, in California. Il Telescopio Roman avrà più strumenti nella sua cassetta degli attrezzi e questo studio si concentra sulla spettroscopia e su come mapperà l’espansione storica dell’Universo.
“Il nostro studio prevede che l’indagine di spettroscopia di Science Roman consentirà e mostra come vari aggiustamenti potrebbero ottimizzarne il design”, ha affermato l’autore principale Wang.
Il Roman condurrà l’High Latitude Wide Area Survey (HLWAS) che è la parte spettroscopica dell’HLWAS delineata in questo studio. L’HLWAS è uno degli obiettivi scientifici in primo piano del telescopio, insieme a nuovi approcci alla scienza degli esopianeti. Si tratta di un’indagine di precisione ad alto volume di milioni di galassie risalenti a miliardi di anni fa. L’obiettivo principale del sondaggio è studiare l’espansione nella storia dell’Universo. L’HLSS è così profondo e ampio che consentirà la scienza che non è possibile con altri telescopi esistenti.
“Sebbene questa indagine sia progettata per esplorare l’accelerazione cosmica, offrirà anche indizi su molti altri misteri allettanti“, ha affermato Wang. “Ci aiuterà a comprendere la prima generazione di galassie, ci consentirà di mappare la materia oscura e persino di rivelare informazioni su strutture che sono molto più vicine a casa, proprio nel nostro gruppo locale di galassie”.
Il campo visivo del telescopio spaziale romano farà impallidire quello di Hubble. Credito: NASA/GSFC/JPL
L’HLSS del Roman si riferisce all’espansione universale, all’energia oscura e alla teoria della relatività generale di Einstein (TGR). Ovviamente, questi sono tutti argomenti profondi e dettagliati ed ecco come si adattano.
Nel 1915, quando Einstein presentò per la prima volta la sua Teoria della Relatività Generale, nessuno pensava che l’Universo si stesse espandendo. La TRG è riuscita a spiegare cose che la gravità newtoniana non poteva. Ma aveva un difetto. Lo stesso Einstein si rese conto che la sua teoria prevedeva che un Universo statico era instabile e che era necessario che si espandesse o contraesse per essere stabile ma rifiutò quest’idea e introdusse l’ormai famigerata “costante cosmologica” per compensare l’instabilità. La usò per contrastare l’effetto della gravità e ottenere un Universo statico. Einstein in seguito lo definì il suo più grande errore.
Poi, negli anni ’20, gli astronomi scoprirono che l’Universo si sta espandendo. Ciao ciao costante cosmologica. L’astronomo americano Edwin Hubble svolse un ruolo di primo piano nella scoperta e la regola che descrive l’espansione è chiamata, infatti, Legge di Hubble. (In realtà lo scienziato e sacerdote belga Georges Lemaître descrisse prima di lui l’espansione, ma il suo lavoro ebbe poca risonanza. Oggi la legge di Hubble è sempre più spesso chiamata legge di Hubble-Lemaître). In sintesi, tutte le galassie si stanno allontanando l’una dall’altra, con pochissime eccezioni. L’Universo si sta espandendo.
L’espansione dell’Universo era ed è un mistero. Gli scienziati hanno, però, dato un nome alla forza che pensano guidi l’espansione: Energia Oscura.
Per molto tempo i cosmologi hanno pensato che l’espansione stesse rallentando. Ma poi si è scoperto che non è così.
Nel 1998 gli scienziati hanno scoperto che il tasso di espansione dell’Universo sta accelerando e questo è un problema perché la gravità di tutta la materia esistente dovrebbe rallentare l’espansione. Con quella scoperta, la costante cosmologica è tornata in gioco e rappresenta il tasso di espansione dell’universo. La costante cosmologica è rappresentata dalla lettera maiuscola greca lambda: Λ .
Questa immagine mostra l’espansione dell’Universo in accelerazione. Il tempo scorre dal basso verso l’alto. Attestazione: Ann Feild (STScI)
Non sarebbe bello se l’interminabile congettura sul destino dell’Universo fosse finita? Non sarebbe interessante sapere come andrà a finire l’Universo? Sarebbe interessante tanto quanto sapere cosa ne ha innescato l’inizio.
Questo ci porta al Telescopio Roman e alla sua indagine spettroscopica ad ampia latitudine. L’HLSS potrebbe essere in grado di dirci del futuro dell’espansione dell’Universo e se l’Universo continuerà ad espandersi sempre più velocemente e finirà con un Big Rip.
Nel loro articolo, gli autori chiariscono l’obiettivo generale dell’indagine. Ci sono due domande di primo livello:
- L’accelerazione cosmica è causata da una nuova componente energetica o dalla rottura della relatività generale (GR) su scale cosmologiche?
- Se la causa è una nuova componente energetica, la sua densità di energia è costante nello spazio e nel tempo o si è evoluta nel corso della storia dell’universo?
Non c’è magia in questo. In un certo senso, è coinvolta la forza bruta. Più dell’Universo puoi misurare, e più precisamente puoi misurarlo, più accurate saranno le tue conclusioni. Questo è alla base della spinta verso telescopi più grandi e precisi come il telescopio spaziale Roman. Le risposte alle nostre domande sono più complesse e più difficili da trovare.
Nel documento, gli autori presentano un progetto di riferimento per l’HLSS. L’HLSS coprirà quasi 2.000 gradi quadrati o circa il 5% del cielo in circa sette mesi. Questo è un notevole miglioramento rispetto ad altri telescopi come Hubble. “In questo momento, con telescopi come Hubble, possiamo campionare decine di galassie ad alto spostamento verso il rosso. Con il Roman, saremo in grado di campionarne migliaia”, ha spiegato Russell Ryan, astronomo dell’STScI.
“Sebbene il Roman possa eseguire un’indagine superficiale e su un’ampia area paragonabile a quella di Euclide in circa 1 anno di tempo di osservazione, l’indagine più approfondita qui proposta è un complemento migliore ad altre indagini e sfrutta in modo più efficace le capacità dell’apertura più ampia di Roman“, afferma il documento. “Per unità di tempo di osservazione, Roman è una struttura straordinariamente efficiente per le indagini spettroscopiche, quindi è ben posizionata per rispondere agli sviluppi della cosmologia sperimentale da qui al lancio della missione a metà degli anni ’20“.
Il nuovo studio mostra che l’HLSS di Roman dovrebbe misurare con precisione 10 milioni di galassie da quando l’Universo aveva un’età compresa tra tre e sei miliardi di anni. Gli astronomi useranno questi dati per mappare la struttura su larga scala dell’Universo.
I cosmologi hanno già mappato la struttura su larga scala, ma l’HLSS del Telescopio Romano farà un ulteriore passo avanti. L’HLSS ci dirà le distanze di circa due milioni di galassie da quando l’Universo aveva solo due o tre miliardi di anni. Non è mai stato fatto prima e saranno nuovi dati.
Si arriverà a misurare quante più cose possibile nel modo più accurato possibile. Se il Telescopio Roman potrà portare nuova profondità e ampiezza alla nostra comprensione della struttura su larga scala dell’Universo nel tempo, potremo comprendere la storia dell’espansione dell’Universo. Allora, forse, avremo finalmente la nostra risposta.
“Il Roman determinerà la storia dell’espansione dell’universo al fine di testare possibili spiegazioni della sua apparente espansione in accelerazione, inclusa l’energia oscura e la modifica della gravità di Einstein“, scrivono gli autori nel loro articolo. “Roman determinerà la storia di crescita delle più grandi strutture dell’universo al fine di testare le possibili spiegazioni della sua apparente espansione in accelerazione, inclusa l’energia oscura e la modifica della gravità di Einstein…”
L’ultima frase descrive a che punto siamo adesso. L’Universo si sta espandendo e l’espansione sta accelerando. Non dovrebbe essere così perché la gravità di tutta la materia nell’Universo dovrebbe essere un freno per l’espansione. L’accelerazione significa che la teoria della gravità di Einstein non è esattamente corretta. Oppure significa che dobbiamo aggiungere una nuova componente energetica all’Universo: l’Energia Oscura.
Come spiegato nella Relatività Generale, la gravità di Einstein è precisa, fino a un certo punto. Così è stato per quella di Newton fino a quando non abbiamo potuto osservare porzioni più grandi dell’Universo. La gravità di Newton descrive accuratamente cosa succede con la gravità su scala locale e la gravità di Einstein spiega accuratamente cosa succede su scala ancora più ampia. Ma ora stiamo affrontando l’intero Universo e la nostra comprensione è inadeguata.
Questo studio simula ciò che il Roman può apportare alla questione. Le vaste e profonde immagini 3D dell’Universo del Telescopio Roman saranno una nuova opportunità per discernere tra le principali teorie che tentano di spiegare l’accelerazione cosmica: una teoria modificata della gravità o Energia Oscura.
“Per illuminare la natura sconosciuta dell’accelerazione cosmica, abbiamo bisogno di misurare due funzioni libere del tempo: la storia dell’espansione cosmica e il tasso di crescita della struttura su larga scala“, scrivono gli autori. “Questi possono dirci se l’energia oscura varia nel tempo e se si tratta di una componente di energia sconosciuta (ad esempio, una costante cosmologica) o la conseguenza della modifica della relatività generale come teoria della gravità“.
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 si è allungato, 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 più lontane. Credito: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)
“Possiamo aspettarci una nuova fisica in entrambi i casi, sia che impariamo che l’accelerazione cosmica è causata dall’energia oscura o scopriamo che dobbiamo modificare la teoria della gravità di Einstein“, ha detto Wang. “Il Roman metterà alla prova entrambe le teorie allo stesso tempo“.
Sapremo mai come finirà l’Universo? Forse un giorno.
