Nuovi risultati dal Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) suggeriscono che la forza sconosciuta che accelera l’espansione dell’universo non è ciò che credevamo. Questo indica che la nostra migliore teoria sull’evoluzione dell’universo, il modello standard della cosmologia, potrebbe essere sbagliata. I dati recentemente rilasciati da DESI provengono dai suoi primi tre anni di osservazioni raccolte mentre lo strumento, montato sul telescopio Nicholas U. Mayall da 4 metri presso il Kitt Peak National Observatory, continua a costruire la più grande mappa 3D dell’universo mai creata. Entro la fine della sua missione quinquennale l’anno prossimo, DESI avrà misurato la luce di circa 50 milioni di galassie e quasar alimentati da buchi neri, oltre alla luce stellare di oltre 10 milioni di stelle. È la capacità di DESI di catturare la luce da 5.000 galassie contemporaneamente che lo rende lo strumento ideale per condurre un’indagine abbastanza grande da investigare le proprietà dell’energia oscura. Questa nuova analisi si concentra sui dati dei primi tre anni di osservazioni di DESI, che comprendono quasi 15 milioni delle galassie e quasar meglio misurati. Una sezione dei dati DESI mappa oggetti celesti dalla Terra (centro) a miliardi di anni luce di distanza. Tra gli oggetti ci sono galassie luminose vicine (giallo), galassie rosse luminose (arancione), galassie a emissione di linee (blu) e quasar (verde). La struttura su larga scala dell’universo è visibile nell’immagine inserita, che mostra la regione di indagine più densa e rappresenta meno dello 0,1% del volume totale dell’indagine DESI. “L’universo non smette mai di stupirci e sorprenderci,” ha detto in una dichiarazione Arjun Dey, scienziato del progetto DESI. “Rivelando le trame evolutive del tessuto del nostro universo come mai prima d’ora, DESI e il telescopio Mayall stanno cambiando la nostra comprensione del futuro del nostro universo e della natura stessa.”
DESI potrebbe cambiare tutto ciò che sappiamo sull’energia oscura. L’energia oscura è il nome provvisorio dato a qualsiasi aspetto dell’universo che sta causando l’espansione dello spazio-tempo a un ritmo sempre più veloce, spingendo costantemente le galassie a separarsi più rapidamente. Si pensa che rappresenti circa il 70% della materia e dell’energia dell’universo. La misteriosa “materia oscura” costituisce un altro 25%, e la materia ordinaria che comprende stelle, pianeti, lune, i nostri corpi e il gatto del vicino rappresenta solo il 5%. Essenzialmente, tutto ciò che comprendiamo dell’universo, inclusa tutta la chimica e la biologia, è racchiuso in quel 5%! L’attuale “migliore ipotesi” sull’identità dell’energia oscura è la costante cosmologica, l’energia del vuoto dello spazio, che è integrata nel modello standard della cosmologia o nel modello Lambda Cold Dark Matter (LCDM). Tuttavia, questo modello si basa sul presupposto che l’energia oscura, rappresentata dalla lettera greca lambda (Λ), sia costante nel tempo.
L’energia del vuoto descrive la densità delle particelle che appaiono e scompaiono. Anche se “qualcosa” che appare dal “nulla” sembra folle, si può pensare all’universo come se avesse una struttura di scoperto. Coppie di particelle virtuali possono “prendere in prestito” un po’ di energia dal cosmo per entrare in esistenza purché la restituiscano incontrandosi e annichilendosi a vicenda. Una piccola frazione dei dati del terzo anno di DESI mostra strutture create dalla gravità mentre lo strumento costruisce la più grande mappa 3D dell’universo mai realizzata. Quando presi isolatamente, i risultati di DESI non sfidano effettivamente il quadro dell’energia oscura sviluppato nel modello LCDM. È quando i dati di DESI vengono confrontati con altre misurazioni del cosmo che i problemi con la costante cosmologica iniziano a manifestarsi. DESI sta suggerendo, e non per la prima volta, che l’energia oscura non è costante ma sta cambiando nel tempo. In particolare, questa “spinta” accelerata sembra indebolirsi.
Queste misurazioni includono le nostre osservazioni di una luce “fossile” rimasta da un evento avvenuto poco dopo il Big Bang chiamato “ultima dispersione,” quando l’universo si era espanso e raffreddato abbastanza da permettere agli elettroni di legarsi con i protoni e formare i primi atomi neutri. La scomparsa degli elettroni liberi ha improvvisamente permesso ai fotoni, le particelle che compongono la luce, di viaggiare liberamente. In altre parole, era come se una nebbia universale si fosse sollevata e il cosmo fosse diventato trasparente. Questa prima luce è chiamata “fondo cosmico a microonde” o “CMB,” e può essere ancora osservata oggi. Piccole variazioni o “rughe” sono state “congelate” nel CMB da fluttuazioni nella densità della materia nell’universo primordiale chiamate oscillazioni acustiche barioniche (BAO). Man mano che il cosmo continuava a espandersi, anche queste rughe si espandevano. Pertanto, le rughe BAO possono agire come un metro standard dell’espansione dell’universo, con la loro dimensione che varia in diversi momenti cosmici. Questa variazione deriva da quanto velocemente l’universo si stava espandendo in quei momenti. Pertanto, misurare le BAO rivela la forza dell’energia oscura attraverso la storia del cosmo, e DESI può farlo più precisamente di qualsiasi altro strumento.
Cambiamenti nell’energia oscura stessa sono stati anche suggeriti quando i dati di DESI sono stati confrontati con osservazioni di supernove di tipo Ia, esplosioni cosmiche che si verificano quando stelle nane bianche “si sovralimentano” su una stella compagna. Questo materiale rubato si accumula sulla superficie del residuo stellare fino a quando non viene innescata una fuga termonucleare. Le supernove di tipo Ia sono così uniformi in termini di emissione luminosa che gli astronomi possono usarle come “candele standard” per misurare le distanze cosmiche. Infatti, le supernove di tipo Ia sono state fondamentali per la scoperta che l’espansione dell’universo sta accelerando, la genesi dell’energia oscura, nel 1998.
Queste misurazioni delle distanze sono possibili grazie a un fenomeno chiamato “redshift,” che si verifica quando la lunghezza d’onda della luce in viaggio viene allungata mentre attraversa l’universo in espansione. Più a lungo la luce ha viaggiato, più estremo è lo spostamento verso la “fine rossa” dello spettro elettromagnetico. Ciò significa che misurare il redshift di una fonte di luce molto ben conosciuta e consistente, una candela standard, può fornire misurazioni delle distanze. I dati di DESI possono anche essere combinati con osservazioni di un effetto chiamato “lente gravitazionale,” la distorsione della luce da galassie lontane da parte di oggetti in primo piano di grande massa per mostrare la firma dell’energia oscura in evoluzione. L’evoluzione dell’energia oscura non è ancora abbastanza robusta da essere considerata una “scoperta,” ma diverse combinazioni dei dati con altre osservazioni stanno spingendo questo concetto verso ciò che è considerato lo “standard d’oro” in fisica per tale determinazione.
Gli astronomi si preparano a immergersi nei dati di DESI. Oltre a svelare questi ultimi risultati sull’energia oscura, la collaborazione DESI ha anche annunciato che il suo Data Release 1 (DR1) è ora disponibile per chiunque voglia esplorarlo attraverso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). DR1 contiene informazioni riguardanti 18,7 milioni di oggetti cosmici, inclusi circa 4 milioni di stelle, 13,1 milioni di galassie e 1,6 milioni di quasar. Luz Ángela García Peñaloza, ex membro del team DESI e cosmologa presso l’Universidad ECCI in Colombia, è solo una delle scienziate entusiaste dei nuovi risultati di DESI e del fatto che DR1 sia ora disponibile per la comunità astronomica generale. “Sono anche molto entusiasta di scoprire che DESI ha rilasciato informazioni sul redshift di circa 19 milioni di galassie e quasar. Abbiamo aumentato il numero di galassie identificate di un ordine di grandezza in meno di 10 anni!” ha detto García Peñaloza. “Il risultato più affascinante di tutti è che diversi set di osservazioni, una combinazione di BAO da DESI con dati CMB da Planck, e i tre principali set di distanze di luminosità delle supernove di tipo Ia stanno facendo un caso più forte per un modello di energia oscura in evoluzione, sfavorendo la costante cosmologica. Questo è sempre più coerente con altri test cosmologici indipendenti che sembrano aprire una finestra di opportunità per nuovi modi di esplorare e studiare l’energia oscura e l’espansione accelerata dell’universo.”
La disponibilità dei dati DR1 significa che gli astronomi al di fuori della collaborazione DESI possono ora immergersi in questo vasto dataset raccolto tra maggio 2021 e giugno 2022. “I nostri risultati sono terreno fertile per i nostri colleghi teorici mentre esaminano nuovi e vecchi modelli, e siamo entusiasti di vedere cosa proporranno,” ha detto Michael Levi, direttore di DESI. “Qualunque sia la natura dell’energia oscura, essa modellerà il futuro del nostro universo. È piuttosto notevole che possiamo guardare il cielo con i nostri telescopi e cercare di rispondere a una delle più grandi domande che l’umanità abbia mai posto.” Nel frattempo, la collaborazione DESI si sta preparando per iniziare ulteriori analisi del nuovo dataset per estrarre ancora più risultati mentre DESI stesso continua a raccogliere dati durante il suo quarto anno di operazioni. “Semplicemente incredibile,” ha concluso García Peñaloza. “Che momento per essere vivi e per essere un cosmologo!”