Svelati i misteri di 11 miliardi di anni di storia dell’universo

Le ultime ricerche spaziali hanno fornito ulteriori risposte alle domande circa il nostro cosmo. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di capire 11 miliardi di anni di storia dell’universo

Di che cosa è fatto lo spazio? Quanto velocemente si espande al giorno d’oggi, e com’è cambiata questa velocità nel tempo? Se avessimo le risposte a queste domande, capiremmo la storia dell’universo, ossia sia il passato che il futuro del cosmo. Tuttavia, anche con le migliori misurazioni dello stesso, metodi diversi non sempre danno le stesse risposte. Calcolare il bagliore residuo del Big Bang, la Radiazione Cosmica di Fondo, fornisce una serie di risposte. Allo stesso tempo, misurare le stelle, le galassie e le supernove rilascia riscontri diversi e incompatibili. Verosimilmente, la discrepanza è il più grande dilemma della cosmologia moderna.

Ma grazie a più di due decenni di dati e a una mappa dettagliata in 3D di più di 2 milioni di galassie, la Sloan Digital Sky Survey (SDSS) potrebbe aiutarci a risolvere, finalmente, il mistero cosmico. Queste galassie sono sparse in più di 19 miliardi di anni luce, in tutte le direzioni. Ciò corrisponde a più di 11 miliardi di anni di storia dell’universo in espansione. Ma di che cosa è fatto? Quanto velocemente si sta espandendo? Cos’altro abbiamo imparato, e cosa c’è in serbo per gli astrofisici?

Immaginate l’universo durante le primissime fasi del Big Bang. Nei primi minuti, avviene la fusione nucleare tra particelle subatomiche, creando elementi leggeri come vari isotopi di idrogeno ed elio. Negli anni seguenti, la gravità attira la materia, sia quella normale che quella oscura, verso le regioni più dense. Allo stesso tempo, le radiazioni respingono in modo differente la materia normale (con il quale interagiscono) e quella oscura (che non interagisce).

La gravità e le altre interazioni creano delle onde nella densità della materia normale. Miliardi di anni dopo, in seguito all’espansione dell’universo e alla formazione delle stelle e delle galassie, è ancora possibile osservare queste onde: sono impresse nel cosmo stesso. Se si punta il dito su una galassia a caso e ci si domanda “Quanto è probabile trovarne un’altra a una certa distanza?”, si dovrebbe essere effettivamente in grado di tracciare non solo l’impatto di queste onde, ma anche come l’impatto cambia man mano che l’universo si espande.

L’universo a noi più vicino è in espansione da 13,8 miliardi di anni, dal Big Bang.

Gli scienziati sono stati in grado di misurare come le galassie si ammassino tra di loro. Basta immaginare di cominciare da una galassia e, con un righello immaginario, di misurare la distanza con ogni altra galassia che si possa scoprire. In media, si scoprirà che:

  1. Probabilmente se ne scoprirà un’altra vicina, a causa della forza di attrazione della gravità;
  2. Allontanandosi, si ridurrà lentamente la possibilità di scoprirne altre;
  3. Alla fine, si incontrerà “quell’onda” impressa nell’universo.

Ciò significa che, ad oggi, se si disegna una curva regolare che rappresenti la possibilità di trovare un’altra galassia, l’onda rappresenta una più alta probabilità di incontrarne una che sia 500 milioni di anni luce più lontana di quanto anticipato. Tuttavia, sarebbe meno probabile trovarne una che sia 400 o 600 milioni di anni luce più distante.

Questa traccia ha un nome: oscillazioni acustiche barioniche. La materia normale (barioni) imprime onde di pressione (oscillazioni acustiche) sulla più vasta struttura dell’universo.

Una cosa è che calcolare l’effetto, che è possibile fare dal punto di vista teorico. Un’altra cosa è misurare l’effetto vicino, che è ciò che la Sloan Digital Sky Survey sta facendo da quando ha cominciato le sue operazioni scientifiche, nel 1998. Misurare l’effetto attraverso tutto il cosmo, per la maggioranza della storia dell’universo, è un passo enorme. Ed è proprio ciò che si è appena riusciti a fare.

La ragione è semplice: la dimensione della scala acustica si estende per diventare sempre più lunga man mano che l’universo si espande. In altre parole, se è possibile individuare le galassie del cosmo vicino e lontano, si può misurare come l’universo si sia espanso nel tempo.

Tuttavia, ci sono numerose sfide da superare. Innanzitutto, è più difficile vedere le galassie distanti, in quanto sono meno luminose. Inoltre, individuarne di singole quando sono troppo vicine le une alle altre complica il compito. Ancora, tracciare la distanza nella terza dimensione è più difficile e, infine, potrebbero intervenire altri effetti a influenzare le conclusioni.

stelle

Un esempio di problematiche lo fornisce il gruppo più vicino alla Terra: l’Ammasso della Vergine. Si tratta di più di 1000 galassie, situate a circa 50-60 milioni di anni luce da noi. Sono pochi i calcoli che aiutano a capire quanto siano lontane: possiamo misurarne la luminosità, la dimensione apparente e lo spostamento verso il rosso gravitazionale. Quest’ultimo è una componente importante, in quanto mostra quanto velocemente l’oggetto sembra recedere da noi. È fondamentale per capire come si espande l’universo.

Ma, in una galassia, lo spostamento verso il rosso gravitazionale ha due cause: l’espansione cosmica su larga scala, che influenza egualmente tutte le galassie, e gli effetti della gravità. In un ammasso di galassie, una vasta quantità di massa causa un movimento veloce delle galassie individuali, anche lungo la nostra visuale. Gli astronomi lo chiamano moto peculiare, che si sovrappone all’universo in espansione. Se dovessimo creare una mappa per indicare le galassie e ignorare questo effetto, vedremmo che le loro posizioni dedotte sarebbero sbagliate. Anzi, i primi a constatare questo effetto trovarono per queste distorsioni dello spazio verso il rosso gravitazionale un nome abbastanza ad effetto: le Dita di Dio.

Tuttavia, con una migliore comprensione dell’universo possiamo correggere questo effetto e trasformare le nostre mappe da “spazio con spostamento verso il rosso gravitazionale”, che non è corretto, a “spazio reale”, che è una definizione migliore. Gli ultimissimi risultati della Sloan Digital Sky Survey non solo utilizzano un numero vastissimo e mai usato prima di galassie ad una grandissima distanza. La ricerca ha impiegato altresì il pacchetto intero di correzioni della cosmologia moderna. Siamo più sicuri che mai che l’universo, così come lo vediamo, è un riflesso di ciò che è realmente.

Non abbiamo mai avuto risultati tali prima.

Nell’arco dei più recenti 2 miliardi di anni, abbiamo ricevuto luce dalle galassie vicine, mappate durante i primi dieci anni della Sloan Digital Sky Survey (1998-2008). Oltre a ciò, abbiamo vecchie galassie rosse che ci riportano indietro nel tempo, da 2 a 7 miliardi di anni. E ancora, ci sono giovani galassie blu da 6 a 8 miliardi di anni fa, con quasar che si estendono da circa 7 fino a 11 miliardi di anni fa. Ancora oltre, tra 11 e poco oltre i 12 miliardi di anni fa, abbiamo esempi di galassie i quali atomi di idrogeno emettono luce e che ci riportano a tempi ancora precedenti, ancor prima della formazione strutturale.

Will Percival, lo scienziato della ricerca per il progetto extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), ha dichiarato: “Considerate insieme, le analisi dettagliate della mappa eBOSS e dei precedenti esperimenti della SDSS hanno ora fornito le più accurate misurazioni della storia dell’espansione nel raggio di tempo cosmico più vasto che mai. Questi studi ci permettono di combinare tutti questi calcoli per arrivare a una storia completa dell’espansione dell’universo”.

Ciò che siamo venuti a sapere è confortante per molti aspetti, in quanto conferma, indipendentemente, diverse cose che sapevamo già essere vere. Tuttavia, getta anche una luce sorprendente su molti altri aspetti della storia dell’universo.

I risultati non sorprendenti sono estremamente importanti. Per citarne uno, si è scoperto che l’energia oscura è incredibilmente coerente, con una costante cosmologica: non c’è prova che si evolva col tempo o vari nello spazio. La sua densità rimane costante nel tempo. Un’altra emozionante conferma è che l’universo è, dal punto di vista spaziale, incredibilmente piatto. La sua curvatura massima è di solo 0,2% della densità critica. Tale vincolo è 20 volte più forte della controversa affermazione dell’anno passato che l’universo sarebbe potuto essere chiuso, e non piatto.

Ci sono altri risultati che non sorprendono ma che rappresentano miglioramenti incrementali della nostra comprensione. Non abbiamo ancora visto un’impronta di neutrini nella struttura di larga scala dell’universo, vincolando la loro massa totale (di elettroni, muoni e neutrini tauonici combinati) a meno di 0,11 eV. Ciò significa che l’elettrone deve essere almeno 4,6 milioni di volte più pesante di tutte e tre le masse di neutrini combinate. Si è scoperto un universo che è composto al 70% di energia oscura e al 30% di materia totale (materia normale e oscura combinate), con un’incertezza di circa l’1% per entrambe le cifre.

Il risultato che ha sorpreso maggiormente è giunto dal tentativo di misurare la velocità di espansione dell’universo. È doveroso ricordare che esiste una enorme controversia su questo argomento. I team che misurano le distanze degli oggetti individualmente (il metodo della scala delle distanze), sistematicamente ottiene valori pari a 72-75km/s/Mpc. Invece, coloro che utilizzano la Radiazione Cosmica di Fondo ottengono sistematicamente valori che vanno tra i 66 e i 68km/s/Mpc.

Senza considerare nessuno di questi due dati, i migliori risultati di questo ultimo studio hanno calcolato una velocità di espansione pari a 68,2km/s/Mpc, affermando vigorosamente un universo con energia oscura.

Ma c’è un problema. Ad un certo punto bisogna fornire un valore che risponda alla domanda “Quanto era grande l’universo in questo preciso momento?”. Ciò è possibile grazie ai dati della Radiazione Cosmica di Fondo. Ma questo andrebbe contro l’obiettivo di avere una serie di dati indipendenti, così come utilizzare il metodo della scala di distanze.

Ecco perché il team ha utilizzato i dati della Nucleosintesi primordiale, nota anche come Big Bang Nucleosynthesis (BBN). Misurando la ricchezza di vari isotopi di idrogeno ed elio che si sono creati poco dopo il Big Bang, otteniamo un vincolo alla velocità di espansione che non dipende dalle misurazioni di nessun altro. Nonostante rimanga dello spazio di manovra, è chiaro che questi dati favoriscano la più bassa velocità di espansione dalla Radiazione Cosmica di Fondo. Ciò non risolve il nostro stallo cosmico relativo a quanto rapidamente si stia estendendo l’universo. Al contrario, lo intensifica, aggiungendo un nuovo, importantissimo set di dati nello studio che predilige una velocità più bassa per il suo valore.

L’universo non è curvo, ma spazialmente piatto per 499 parti su 500.

Non solo necessita di energia oscura, ma ne è formato al 70% ed è perfettamente coerente con la costante cosmologica. Del restante 30%, il 25% è materia oscura e solo il 5% è materia normale. L’universo si espande a 68,2km/s/Mpc. Questi dati si basano sull’osservazione di oltre 2 milioni di galassie, tra quelle più vicine a quelle lontane 19 miliardi di anni luce, che corrispondono a più di 11 miliardi di anni di storia dell’universo.

Nei prossimi anni il DESI, il Dark Energy Spectroscopic Instrument, ci porterà in decine di milioni di galassie. Inoltre, ci saranno ancora progessi dal lancio dell’Euclid dell’Agenzia Spaziale Europea, dal WFIRST della NASA e dell’Osservatorio terrestre Vera Rubin dell’NSF. Al momento, ci sono tre grandi “protagonisti” della ricerca per calcolare l’espansione dell’universo: la Radiazione Cosmica di Fondo, la scala di distanza cosmica e l’impronta delle oscillazioni acustiche nella struttura di larga scala dell’universo. Il primo e il terzo metodo sono concordi fra loro, ma non con il secondo. Fin quando non verrà scoperto il perché, insieme agli enigmi della materia e dell’energia oscura, questo rimarrà uno dei più coinvolgenti misteri della natura del nostro cosmo.

 

Traduzione di Chiara Romano da forbes.com

Immagine di copertina via sdss.org

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