Ammasso di Perseo visto da Euclid. Il lavoro svolto da questi strumenti di rilevamento sta rivelando nuove proprietà dell’Universo Oscuro. Credito immagine: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, elaborazione dell’immagine di J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi
L’universo si sta espandendo a un ritmo accelerato e le nostre migliori teorie attuali per spiegare questo fenomeno parlano di una forma misteriosa di energia chiamata “energia oscura” che, per la sua stessa esistenza, sta spingendo l’universo a espandersi con accelerazione, anche se non sappiamo realmente cosa sia l’energia oscura. Negli ultimi decenni, l’idea predominante era che l’energia oscura fosse una costante cosmologica, una proprietà del vuoto stesso che non è mai cambiata e mai cambierà. Tuttavia, nuovi dati dalla mappa più grande mai realizzata di galassie e quasar suggeriscono qualcosa di diverso. L’energia oscura potrebbe indebolirsi.
Il modello standard della cosmologia, la migliore teoria che abbiamo per spiegare l’universo, è noto come ΛCDM (pronunciato Lambda-CDM). Lambda è il simbolo della costante cosmologica e CDM sta per materia oscura fredda. Secondo questo modello, l’universo è composto da materia regolare (5 percento), materia oscura (25 percento) ed energia oscura (70 percento). Né la materia oscura né l’energia oscura sono comprese e questi nuovi risultati potrebbero sconvolgere le nostre aspettative su quest’ultima.
Le crepe nel modello standard della cosmologia
Il Dark Energy Survey (DES) ha raccolto dati da milioni di galassie. Questi dati hanno fornito una mappa precisa dell’universo che può essere utilizzata per stimare le proprietà dell’energia oscura studiando l’espansione del cosmo. Misura le distanze utilizzando specifiche supernovae (tipo Ia) che sono usate come “candele standard”: hanno sempre la stessa luminosità, quindi si può sempre calcolare quanto sono lontane. Questo significherebbe che l’energia oscura non è semplicemente energia del vuoto, ma dovrebbe essere qualcosa di più esotico. Potrebbe essere un indizio per una quinta forza in natura, oltre alle quattro forze ben note… o che ci sia qualche modifica alla legge di gravità di Einstein, la relatività generale.
Hanno anche misurato le oscillazioni acustiche barioniche (BAO), che possono essere immaginate come onde sonore nella distribuzione della materia dell’universo, con picchi ogni 500 milioni di anni luce circa. I dati DES provenienti da 16 milioni di galassie hanno suggerito che le BAO misurate sono il 4 percento più piccole di quanto previsto dal ΛCDM.
“È emozionante vedere il potere del Dark Energy Survey quando si combinano le sue diverse sonde. Mentre i nostri risultati sulle supernovae e i nostri risultati sulle BAO dell’anno scorso erano già entusiasmanti, mettendoli insieme possiamo osservare le crepe nel ΛCDM, che è considerato il modello standard della cosmologia.”
Uno sforzo internazionale per raggiungere questi risultati
Se comprendere l’energia oscura o la materia oscura fosse facile, lo avremmo già fatto. Sebbene si creda che dominino l’universo, i loro effetti non sono immediatamente evidenti nei nostri laboratori. Solo studiando le grandi scale dell’universo possiamo cercare di comprendere le loro proprietà.
“Raggiungere questi risultati cosmologici ha richiesto anni di sforzi collaborativi da parte di centinaia di persone nel Dark Energy Survey. Il loro lavoro ha spaziato dalla progettazione della fotocamera sul telescopio, alla conduzione di oltre 700 notti di osservazione, allo sviluppo di numerosi metodi di analisi all’avanguardia per caratterizzare le galassie nelle immagini, trovare e classificare le supernovae e eseguire simulazioni per sviluppare una comprensione completa delle incertezze che influenzano le misurazioni, tra le altre cose.”
Cos’è davvero l’energia oscura?
Se i risultati sono corretti e l’energia oscura non è una costante cosmologica, allora gli scienziati devono iniziare a ripensare a cosa sia l’energia oscura. La sua vera natura continua a essere avvolta nel mistero, ma il lavoro del DES e di altri prossimi sondaggi fornirà ulteriori approfondimenti sulle proprietà di questa energia.
“Stiamo vivendo un’era emozionante per la cosmologia, e questo lavoro si aggiunge alle crescenti prove a sostegno di un’energia oscura in evoluzione. Il modello ΛCDM, che è stato il modello standard in cosmologia negli ultimi decenni, potrebbe non essere sufficiente per interpretare i dati degli ultimi esperimenti cosmologici.”
“Questo significherebbe che l’energia oscura non è semplicemente energia del vuoto, ma dovrebbe essere qualcosa di più esotico. Ad esempio, potrebbe essere un indizio per una quinta forza in natura, oltre alle quattro forze ben note. Un’altra alternativa potrebbe essere che ci sia qualche modifica alla legge di gravità di Einstein, la relatività generale. Al momento, queste sono solo speculazioni, ma con più dati dal DES o nuovi esperimenti, speriamo di trovare una spiegazione per la natura dell’energia oscura.”
Il modello standard non sta passando un buon momento
Uno dei maggiori punti di discussione intorno al modello standard negli ultimi anni è stata la tensione di Hubble. Diversi metodi di stima del tasso di espansione dell’universo oggi forniscono numeri diversi.
Utilizzando i dati dal fondo cosmico a microonde (CMB), gli scienziati hanno calcolato che l’universo si sta espandendo a un tasso di 67,4 chilometri al secondo per megaparsec, con 1 megaparsec pari a 3,26 milioni di anni luce. Questo significa che se due galassie sono distanti 1 megaparsec, l’espansione dell’universo le farebbe sembrare che si stiano allontanando l’una dall’altra a una velocità di 67,4 chilometri (42 miglia) al secondo. Un metodo diverso, noto come scala delle distanze, che utilizza candele standard note come stelle variabili Cefeidi, ha trovato un valore di 73 chilometri al secondo per megaparsec.
Eravamo intrigati dalla possibilità che un’energia oscura in evoluzione potesse risolvere questo altro enigma, ma il team ha smorzato le nostre speranze. “Interpretando i dati delle BAO e delle SN dal DES (includendo anche il CMB da Planck) assumendo un’energia oscura in evoluzione, i valori per la costante di Hubble che otteniamo (~68±1 km/s/Mpc) sono coerenti con quelli che otteniamo assumendo ΛCDM (~67,0±0,5 km/s/Mpc). Questo significa che la tensione con le misurazioni utilizzando i metodi della scala delle distanze (~73±1 km/s/Mpc) è ancora presente.”
Dove andiamo da qui?
La sfida al modello standard è stata lanciata, ma ciò non significa che tutto debba essere scartato. Un’energia oscura che si indebolisce nel tempo potrebbe facilmente essere inserita nel modello standard con aggiustamenti e miglioramenti, senza doverlo considerare completamente obsoleto. Molto rimane da capire.
Il team sta pianificando future osservazioni e lavorando per migliorare le tecniche, per assicurarsi che l’analisi sia il più corretta possibile.
“Nei prossimi mesi rilasceremo più risultati dal DES completato, con studi sul clustering della materia sondato con galassie e lente gravitazionale che forniscono informazioni complementari ai risultati attuali, basati su misurazioni delle distanze che sondano la storia dell’espansione dell’universo.”
“Abbiamo anche un occhio sui risultati entusiasmanti provenienti da altri sondaggi cosmologici, come le misurazioni delle BAO da DESI, e guardando avanti, tra le altre cose, alla rilevazione di un gran numero di supernovae aggiuntive con il Vera Rubin Observatory LSST, che inizierà a raccogliere dati scientifici entro la fine dell’anno.”
Oltre al Vera Rubin Observatory, anche la missione Euclid dell’Agenzia Spaziale Europea sta studiando l’universo oscuro. Le complessità dell’energia oscura potrebbero presto essere rivelate… e potrebbero essere più strane di quanto pensassimo.