DESI: una mappa 3D dell’energia oscura

Nei primi anni del Novecento si pensava che la quasi totalità della massa dell’Universo risiedesse nelle stelle. Tutto cambiò, e la domanda divenne davvero una domanda da un milione di dollari, quando si scoprì che le leggi di Newton erano in evidente disaccordo con le osservazioni compiute sul moto delle galassie e degli ammassi.

Sono molti gli esempi di osservazioni che falsificano i calcoli. Nelle galassie la concentrazione delle stelle diminuisce più ci si allontana dal nucleo, e la velocità delle stelle che abitano la regione esterna al nucleo decresce all’aumentare della distanza. Questo ci dice la legge di gravitazione universale di Newton. Ma c’è un problema: le osservazioni smentiscono questa spiegazione. La velocità delle stelle anche lontane dal nucleo è molto maggiore di quella attesa e, inoltre, non diminuisce affatto con la distanza! Cosa significa? Che c’è più massa di quella che vediamo. Se, infatti, si correggono i calcoli ammettendo che c’è una materia invisibile e non concentrata nel nucleo, la cui attrazione gravitazionale è responsabile del moto delle stelle, allora le equazioni confermano che le stelle sono letteralmente circondate da una grande massa invisibile. La stessa cosa vale per gli ammassi di galassie. Conoscendo la massa totale di un ammasso si può calcolare il moto relativo di ciascuna galassia presente in esso.

Anche in questo caso le osservazioni sperimentali, per essere coerenti con la formula newtoniana, richiedono un surplus di materia, visto che le velocità delle galassie sono anche di 400 volte maggiori di quelle calcolate. Un’altra conferma viene dalla forma dell’Universo. L’Universo ha una curvatura spaziotemporale nulla, il che significa che è piatto. Questo comporta che la sua densità di massa totale deve essere uguale a un valore noto, la Densità Critica (circa 10-30 g/cm3). Anche questo valore si spiega solo ammettendo la presenza di materia invisibile. Oggi sappiamo che il Modello Standard spiega solo il 4% della materia/energia dell’Universo; il resto è materia oscura per il 24% ed energia oscura per il 72%. Secondo il principio di equivalenza di Einstein (E=mc2), l’energia oscura rende conto della maggior parte della massa/densità dell’Universo, visto che si comporta come una gravità negativa – tende a far espandere l’Universo – e si contrappone alla decelerazione dovuta all’attrazione gravitazionale della materia (barionica e non).

Cartoline di luce: comincia l'avventura  della Dark Energy Camera

NGC 1365 è una delle prime immagini scattate dalla Dark Energy Camera da 570 megapixel. (Crediti: Dark Energy Survey Collaboration).

In altre parole, osservando la curva di rotazione delle galassie a spirale, ci si è resi conto che le stelle ai bordi del disco non seguono delle leggi di rotazione “kepleriane” come ci si attenderebbe se la maggior parte della massa delle galassie fosse concentrata nel “bulbo”; come conseguenza di ciò è evidente che, oltre alla massa “luminosa” concentrata nelle stelle, debba esserci una consistente quantità di materia attorno alle galassie, che non emette luce. Si può dire altrettanto osservando gli ammassi di galassie. Molte galassie infatti hanno velocità mutue così elevate che farebbero “disgregare” gli ammassi stessi in pochi miliardi di anni, cosa che è palesemente falsa, visto che gli ammassi sono tuttora esistenti. Ancora una volta la spiegazione è che esiste della “gravità aggiuntiva” negli ammassi, tale da tenere assieme le galassie. Questa gravità è rappresentata da materia che però non appare ai telescopi. Questi e altri indizi hanno portato a formulare la teoria dell’esistenza di “materia oscura” nel cosmo, di cui si vedono gli effetti gravitazionali sugli oggetti luminosi, ma che non emette luce.

Materia oscura è dunque un nome, un concetto che ci spinge ad accettare che c’è più massa di quella che vediamo, e che esiste un’energia invisibile che induce l’universo a dilatarsi sempre più. Vari gruppi di ricerca stanno facendo enormi sforzi per rispondere a questa domanda. In questo senso, per capire come rilevarla in laboratorio è necessario capire di cosa è fatta la materia oscura, che cos’è. Eh sì, non solo è oscura – nomina sunt omina – ma sembra ci si possa addirittura dilettare con una vera e propria tassonomia: alcuni ritengono abbia una componente ordinaria, sia cioè fatta di atomi (tecnicamente si dice che ha una componente barionica), mentre altri la ritengono qualcosa di esotico, di non barionico.

La componente barionica, fatta di corpi massicci ma non luminosi, è esemplificata da pianeti, stelle di neutroni, buchi neri, nane bianche (stelle che hanno finito di bruciare) e nane brune (stelle che non hanno mai iniziato a bruciare). Questi oggetti si chiamano in gergo MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) ed emettono una quantità di luce troppo scarsa per poter essere visti. Come rilevarli? Attraverso un effetto molto noto: la (micro)lente gravitazionale. Sappiamo che lo spazio si curva in presenza di oggetti molto pesanti. Questo implica che le immagini di oggetti distanti possono essere deviate e deformate se fra loro e noi si frappone una galassia o un ammasso. In sintesi, se osserviamo una sorgente luminosa e un MACHO si frappone fra noi e la sorgente, il fenomeno a cui assistiamo è chiamato microlente (microlensing), perché la massa del MACHO non è grande abbastanza da creare una lente gravitazionale, in cui la curvatura dello spazio dovuta alla galassia o all’ammasso può provocare la deviazione della traiettoria della luce. Il fenomeno resta molto simile, solo che le varie immagini sdoppiate non sono rilevabili perché troppo vicine; non potendo osservare più immagini separate, le vedremo tutte insieme con un incremento di luminosità dovuto alla massa del MACHO (maggiori informazioni si trovano qui).

La deviazione della luce di una galassia distante intorno ad un oggetto massivo. Le frecce arancioni indicano la posizione apparente della galassia distante. Le frecce bianche il reale percorso della luce. Crediti: wikipedia.org.

Invece, se ha una componente non barionica allora è costituita da particelle. Le candidate migliori sono le WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, particelle massive debolmente interagenti), che interagiscono pochissimo con la materia, ancor meno dei neutrini.  Esse vagherebbero nel cosmo, addensandosi in prossimità delle galassie a causa dell’attrazione gravitazionale. Ma non c’è accordo sulle loro caratteristiche: sono pesanti o leggere? Quelle pesanti, circa sui 100 GigaelettronVolt (GeV), cento volte più di un protone, sono predette dalla supersimmetria, mentre quelle leggere, pur non essendo agganciate a nessuna teoria, alcuni credono di averle già osservate.  Esempi? La Cryogenic Dark Matter Search (Cdms), ha dichiarato di aver individuato tre particelle di materia oscura che hanno, più o meno, la stessa massa e il team della Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT) ha rilevato un segnale compatibile con una particella di materia oscura di massa compresa tra 7 e 11 GeV (se è non barionica, sarà pesante o leggera?).

Quello dell’energia oscura è un problema diverso, primariamente connesso con l’espansione accelerata dell’Universo. L’evidenza più diretta di tale accelerazione viene dall’osservazione di “candele standard” a distanze cosmologiche, ovvero oggetti la cui luminosità intrinseca può essere calibrata a priori e la cui distanza quindi misurata direttamente dalla luminosità apparente. È questo il caso delle cosiddette supernovae di tipo Ia, che alla fine degli anni ’90 hanno permesso di evidenziare per la prima volta la presenza di accelerazione. È infatti noto fin dagli anni ’20 del 1900 che l’universo è in espansione (legge di Hubble), ma si era sempre pensato che questa espansione dovesse essere decelerata. Del resto il ragionamento appariva semplice: siccome su scale di distanza galattiche l’unica forza che agisce con intensità non trascurabile è la gravità e siccome il modello di Einstein della gravità prevede che essa sia solo attrattiva, essa si deve opporre all’espansione dell’universo, decelerandola.

Una immagine del resto di supernova SN 1604. Essa sovrappone diverse immagini dell’oggetto a differenti lunghezze d’onda: raggi X, infrarosso, visibile. Crediti: NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair.

Ora, le supernovae sono stelle che esplodono, e quelle di una particolare classe, detta Ia, seguono una curva di luce molto precisa, che ha un valore di luminosità nel punto di massimo che è quasi costante. Di conseguenza, osservando supernovae lontane si può stimarne la distanza sia in base alla legge di Hubble, che prevede il redshift delle righe spettrali in base alla velocità di allontanamento, sia in base all’attenuazione della luce dovuta alla distanza. Mettendo insieme questi parametri ci si è accorti che le supernovae lontane sono più lontane di quanto ci si aspetti, e dunque che l’universo si sta espandendo più rapidamente del dovuto. Sono state avanzate diverse ipotesi per spiegare il fenomeno (da errori sistematici sulle misure, al fatto che le suprenovae lontane possano seguire curve di luce leggermente differenti rispetto a quelle vicine, ecc…) ma l’ipotesi al momento data per più probabile è che vi sia una qualche forza repulsiva che agisce in tutto l’universo e che lo sta spingendo ad accelerare la sua espansione.

Questa energia che dovrebbe avere un effetto anti-gravitazionale è di natura sconosciuta, anche se i teorici hanno già notato come una leggera modifica alle equazioni di Einstein (che peraltro egli stesso aveva già introdotto e poi rinnegato) potrebbe portare l’effetto repulsivo cercato. In ogni modo, resta del tutto un mistero su cosa provochi questo fenomeno, per cui si è coniato il termine “energia oscura”, non perché essa non emette luce (come nel caso della “materia oscura”), ma perché è ignoto di cosa si tratti.

Cortesia NOAO.

Gli studi attuali e futuri si concentrano nella ricerca di una dipendenza dal tempo della cosiddetta “equazione di stato” dell’energia oscura, per dimostrare se l’energia oscura sia semplicemente la costante cosmologica di Einstein, oppure sia legata ad un campo di energia primordiale anch’esso legato alla formazione delle particelle elementari. A questo scopo diversi progetti in corso e proposte per il futuro sono dedicati a ricerche sistematiche di supernovae Ia, sia da terra sia dallo spazio. Sicuramente essi accresceranno notevolmente nei prossimi anni la mole di dati sulle supernovae lontane, portando nuova luce sulla natura dell’accelerazione cosmica. La ricerca e la calibrazione di nuove candele standard (quali superovae “core-collapse” e gamma-ray bursts) sono un’altra area di ricerca cui dedicare un’attenzione crescente.

Altri esperimenti hanno in programma di realizzare coperture di grandi aree di cielo con immagini di alta qualità (e quindi in generale osservate dallo spazio) per misurare il cosiddetto effetto di lente gravitazionale debole (weak lensing). Tale distorsione, introdotta nelle immagini delle galassie ”di sfondo” da parte della distribuzione di massa incontrata lungo il cammino che i fotoni compiono per arrivare a noi, dipende dalla crescita gravitazionale delle fluttuazioni e in ultima istanza dai parametri cosmologici. Lo scopo finale di queste surveys è la realizzazione di mappe di “shear”, come viene chiamata la deflessione da weak lensing, in diversi intervalli di redshifts, producendo una tomografia delle strutture cosmiche ad epoche successive. Queste “lastre tomografiche” misurano direttamente la storia di espansione e di strutturazione dell’Universo che dipendono direttamente dalla presenza di energia oscura.

Cartoline di luce: comincia l'avventura  della Dark Energy Camera

Il Victor Blanco Four-meter Telescope, dalla caratteristica cupola argentata, è l’attuale dimora della Dark Energy Camera. Il telescopio si trova in Cile e fa parte del Cerro Tololo Inter-American Observatory. Crediti: NOAO/NSF.

L’ultima frontiera è il Dark Energy Spectroscopic Instrument che intende produrre una mappa in 3D dell’universo misurandone l’energia oscura. Una dettagliata descrizione del robot di DESi si trova in un articolo su Symmetrymagazine. I robot di DESI sono in fase di sviluppo presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e l’Università del Michigan. Oltre a registrare luce emessa da oggetti lontani, DESI scandaglierà il cielo alla ricerca di raggruppamenti lontani di galassie e quasar soprattutto per studiarne la natura e l’evoluzione. I numeri promettono di battere ampiamente i meno di 2 milioni di oggetti esaminati da BOSS.

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