Perché l’universo sta accelerando?

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Sappiamo che il nostro universo si sta espandendo ad un ritmo accelerato, ma ciò che causa questa crescita rimane un mistero. La spiegazione più probabile è che una strana forza soprannominata “energia oscura” la stia guidando. Ora un nuovo strumento astronomico, chiamato Physics of the Accelerating Universe Camera (PAUCam), cercherà risposte mappando l’universo in modo innovativo.

La fotocamera, che registrerà le posizioni di circa 50.000 galassie contemporaneamente, potrebbe anche far luce su cos’è la materia oscura e su come si è evoluto il cosmo.

Nel 1990, gli astronomi che studiavano le stelle che esplodevano – supernove – in galassie lontane scoprirono che l’espansione dell’universo stava accelerando. Questo è venuto come sorpresa, come gli scienziati al momento pensato che stava rallentando. Senza una soluzione ovvia a portata di mano, gli scienziati hanno sostenuto che ci deve essere una sorta di forza misteriosa – energia oscura – tirando l’universo a parte.

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Linea temporale dell’universo, assumendo una costante cosmologica. Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA

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Avanti veloce circa due decenni e non sappiamo ancora cosa sia l’energia oscura, si pensa che costituisca il 71% di tutta l’energia nell’universo. Una teoria dice che può essere spiegata da una versione abbandonata della teoria della gravità di Einstein – nota come “costante cosmologica” – che è una misura della densità di energia del vuoto dello spazio. Un altro sostiene che è causato da campi scalari enigmatici, che possono variare nel tempo e nello spazio. Alcuni scienziati credono addirittura che uno strano “fluido energetico” che riempie lo spazio potrebbe guidare l’espansione.

Mappare il cielo

Naturalmente, l’unico modo per scoprirlo è attraverso l’osservazione. Dopo aver trascorso sei anni in fase di progettazione e costruzione da parte di un consorzio di istituti di ricerca spagnoli, PAUCam è stato testato con successo per la prima volta questo mese – vedendo “prima luce” sul telescopio William Herschel di 4,2 metri su La Palma nelle Isole Canarie.

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Utilizzando le informazioni catturate da PAUCam, un team internazionale, tra cui ricercatori dell’Istituto di Cosmologia computazionale della Durham University, è stato istituito per costruire una mappa unica di come le galassie sono disposte nell’universo.

Tale mappa conterrà nuove informazioni dettagliate sui numeri di base che governano il destino dell’universo; la sua espansione e su come sono state fatte le galassie stesse. La mappa rivelerà l’estensione delle strutture nella distribuzione delle galassie. Queste strutture crescono a causa della gravità – se l’espansione dell’universo sta accelerando, allora è più difficile per la gravità riunire la materia per costruire queste strutture. Conoscere la forza di gravità e misurare le dimensioni delle strutture nella distribuzione della galassia può quindi aiutarci a dedurre la storia di espansione dell’universo.

Gli astronomi possono mappare le posizioni delle galassie nel cielo prendendo immagini o fotografie. Queste sono posizioni proiettate e quindi non ci dicono la distanza di una galassia dalla Terra. Una galassia potrebbe sembrare molto debole perché è a grande distanza da noi o semplicemente perché è vicina, ma è intrinsecamente debole con poche stelle luminose.

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Tradizionalmente, gli astronomi hanno usato la spettroscopia per misurare la distanza da una galassia. Questa tecnica funziona catturando la luce dalla galassia e diffondendola in uno spettro in base alle sue lunghezze d’onda. In questo modo, possono indagare il modello di linee emesse dai diversi elementi nelle stelle che compongono la galassia. Più la galassia è lontana, più l’espansione dell’universo sposta queste linee per apparire a lunghezze d’onda più lunghe e frequenze più basse di quanto apparirebbero in un laboratorio qui sulla Terra. La dimensione di questo cosiddetto “redshift” dà quindi la distanza dalla galassia.

Le prime indagini sulle posizioni delle galassie misuravano scrupolosamente tali spettri una galassia alla volta, puntando il telescopio a ogni galassia a turno. Le indagini moderne possono ora registrare fino a poche migliaia di spettri di galassie in una singola esposizione.

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La fotocamera è stata testata utilizzando il telescopio William Herschel. wikimedia commons, CC BY-SA

PAUcam rivoluzionerà l’astronomia d’indagine misurando le distanze di decine di migliaia di galassie che può vedere ogni volta che guarda il cielo. Lo fa prendendo 40 fotografie o immagini utilizzando filtri speciali che isolano una parte della luce emessa da una galassia. Ciò consente di costruire uno spettro rapido per ogni galassia ad una frazione del costo tradizionale. Questo spettro agisce anche come un DNA per ogni galassia, codificando le informazioni su quante stelle contiene e quanto velocemente vengono aggiunte nuove stelle.

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Alla ricerca di risposte

Il mio team qui a Durham costruirà modelli al computer dell’evoluzione dell’universo, che mirano a descrivere come strutture come le galassie si sono sviluppate in 13,7 miliardi di anni di storia cosmica. L’universo del cosmologo è per lo più costituito da una sostanza sconosciuta chiamata materia oscura, con una piccola quantità di “materia normale”.

PAUCam permetterà ai cosmologi di testare i loro modelli per la costruzione di galassie misurando la nodosità della distribuzione della galassia nella nuova mappa. Questo è importante perché ci parla della distribuzione della materia oscura, che non possiamo vedere direttamente.

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Sappiamo da osservazioni precedenti che gli ammassi di galassie contengono materia oscura. Contando il numero di galassie in un ammasso, gli astronomi possono stimare la quantità totale di materia (visibile) nell’ammasso. Misurando anche le velocità delle galassie, scoprono che alcune si muovono così velocemente che dovrebbero sfuggire all’attrazione gravitazionale dell’ammasso. Il motivo per cui non lo fanno è perché enormi quantità di materia oscura invisibile stanno aumentando l’attrazione gravitazionale. Se le galassie sono molto raggruppate-o la loro distribuzione è grumosa-allora le simulazioni al computer mostrano che questo significa che le galassie vivono all’interno di strutture di materia oscura più massicce.

PAUCam ci permetterà di saperne di più su un effetto chiamato lente gravitazionale, in cui la massa nell’universo piega la luce da galassie lontane, facendo apparire le loro immagini distorte. Gli scienziati possono studiare le distorsioni per calcolare quanto sia massiccia la zona dell’universo in realtà è-compresa la materia oscura. Questa è una delle sonde chiave di energia oscura che è prevista per la missione Euclid dell’Agenzia Spaziale europea, che è prevista per il lancio nel 2020.

La distorsione della lente dipende dalla grumosità della materia oscura, che è il turno è determinato dalla velocità con cui l’universo si sta espandendo. Se l’universo si espande ad un ritmo veloce, allora è più difficile per la gravità di tirare le strutture insieme per rendere quelli più grandi. PAUCam ci aiuterà a districare il segnale dalla lente gravitazionale da semplici allineamenti tra gli orientamenti delle galassie che si sviluppano man mano che si formano.

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Un sondaggio galassia come PAUCam non è mai stato tentato su questa scala prima. La mappa risultante sarà una risorsa unica per aiutarci a saperne di più su come sono fatte le galassie e perché l’espansione dell’universo sembra accelerare. Speriamo di avere la risposta una volta che il sondaggio PAUCam sarà terminato entro il 2020.

Carlton Baugh è professore di fisica all’Università di Durham.

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Questo articolo è stato originariamente pubblicato sulla Conversazione. Leggi l’articolo originale.

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