Gli scienziati hanno scoperto che una misteriosa pressione chiamata "energia oscura" costituisce circa il 68% del contenuto energetico totale del cosmo, ma finora non ne sappiamo molto di più. Esplorare la natura dell'energia oscura è uno dei motivi principali per cui la NASA sta costruendo il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), un telescopio spaziale le cui misurazioni aiuteranno a illuminare il puzzle dell'energia oscura. Con una migliore comprensione dell'energia oscura, avremo un senso migliore dell'evoluzione passata e futura dell'universo.

Un cosmo in espansione

Fino al XX secolo, la maggior parte delle persone credeva che l'universo fosse statico, rimanendo sostanzialmente invariato per tutta l'eternità. Quando Einstein sviluppò la sua teoria della relatività generale nel 1915, descrivendo come la gravità agisce attraverso il tessuto dello spazio-tempo, fu perplesso nello scoprire che la teoria indicava che il cosmo doveva espandersi o contrarsi. Ha apportato modifiche per preservare un universo statico, aggiungendo qualcosa che chiamò la "costante cosmologica, " anche se non c'erano prove che esistesse davvero. Questa forza misteriosa avrebbe dovuto contrastare la gravità per tenere tutto a posto.

Però, mentre gli anni '20 volgevano al termine, l'astronomo Georges Lemaitre, e poi Edwin Hubble, fatto la sorprendente scoperta che con pochissime eccezioni, le galassie si stanno allontanando l'una dall'altra. L'universo era tutt'altro che statico:si stava gonfiando verso l'esterno. Di conseguenza, se immaginiamo di riavvolgere questa espansione, ci deve essere stato un tempo in cui tutto nell'universo era quasi incredibilmente caldo e ravvicinato.

Gli scienziati hanno scoperto che una misteriosa pressione chiamata "energia oscura" costituisce circa il 68 percento del contenuto energetico totale del cosmo, ma finora non ne sappiamo molto di più. Esplorare la natura dell'energia oscura è uno dei motivi principali per cui la NASA sta costruendo il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), un telescopio spaziale le cui misurazioni aiuteranno a illuminare il puzzle dell'energia oscura. Con una migliore comprensione dell'energia oscura, avremo un senso migliore dell'evoluzione passata e futura dell'universo.

La fine dell'universo:fuoco o ghiaccio?

La teoria del Big Bang descrive l'espansione e l'evoluzione dell'universo da questo supercaldo iniziale, stato superdenso. Gli scienziati hanno teorizzato che la gravità alla fine avrebbe rallentato e forse addirittura invertito completamente questa espansione. Se l'universo avesse abbastanza materia, la gravità supererebbe l'espansione, e l'universo crollerebbe in un ardente "Big Crunch".

Altrimenti, l'espansione non finirebbe mai - le galassie crescerebbero sempre più lontano fino a superare il confine dell'universo osservabile. I nostri lontani discendenti potrebbero non essere a conoscenza dell'esistenza di altre galassie poiché sarebbero troppo lontane per essere visibili. Gran parte dell'astronomia moderna potrebbe un giorno essere ridotta a mera leggenda mentre l'universo gradualmente svanisce in un nero ghiacciato.

L'universo non si sta solo espandendo, ma sta accelerando

Gli astronomi hanno misurato il tasso di espansione utilizzando telescopi terrestri per studiare esplosioni di supernova relativamente vicine. Il mistero si è intensificato nel 1998 quando le osservazioni del telescopio spaziale Hubble di supernovae più distanti hanno aiutato a dimostrare che l'universo in realtà si è espanso più lentamente in passato di quanto non faccia oggi. L'espansione dell'universo non sta rallentando a causa della gravità, come tutti pensavano. Sta accelerando.

Avanti veloce fino ad oggi. Anche se non sappiamo ancora cosa sta causando esattamente l'accelerazione, le è stato dato un nome:energia oscura. Questa misteriosa pressione è rimasta sconosciuta per così tanto tempo perché è così debole che la gravità la sopraffà sulla scala degli umani, pianeti e persino la galassia. È presente nella stanza con te mentre leggi, dentro il tuo stesso corpo, ma la gravità lo contrasta in modo da non volare via dal tuo posto. È solo su scala intergalattica che l'energia oscura diventa evidente, agendo come una sorta di debole opposizione alla gravità.

Che cos'è l'energia oscura?

Cos'è esattamente l'energia oscura? Più è sconosciuto che conosciuto, ma i teorici stanno cercando un paio di possibili spiegazioni. L'accelerazione cosmica potrebbe essere causata da una nuova componente energetica, che richiederebbe alcuni aggiustamenti alla teoria della gravità di Einstein - forse la costante cosmologica, che Einstein definì il suo più grande errore, è reale dopo tutto.

In alternativa, La teoria della gravità di Einstein potrebbe crollare su scale cosmologiche. Se questo è il caso, la teoria dovrà essere sostituita con una nuova che incorpori l'accelerazione cosmica che abbiamo osservato. I teorici non sanno ancora quale sia la spiegazione corretta, ma WFIRST ci aiuterà a scoprirlo.

WFIRST illuminerà l'energia oscura

Le missioni precedenti hanno raccolto alcuni indizi, ma finora non hanno prodotto risultati che favoriscano fortemente una spiegazione rispetto a un'altra. Con la stessa risoluzione delle fotocamere di Hubble ma un campo visivo 100 volte più grande, WFIRST genererà grandi immagini dell'universo mai viste prima. La nuova missione farà avanzare l'esplorazione del mistero dell'energia oscura in modi che altri telescopi non possono fare, mappando come la materia è strutturata e distribuita in tutto il cosmo, e anche misurando un gran numero di supernove lontane. I risultati indicheranno come l'energia oscura agisce attraverso l'universo, e se e come è cambiato nel corso della storia cosmica.

La missione utilizzerà tre metodi di rilevamento per cercare una spiegazione dell'energia oscura. L'indagine spettroscopica ad alta latitudine misurerà distanze e posizioni accurate di milioni di galassie utilizzando una tecnica del "righello standard". Misurare come varia la distribuzione delle galassie con la distanza ci darà una finestra sull'evoluzione dell'energia oscura nel tempo. Questo studio collegherà le distanze delle galassie con gli echi delle onde sonore subito dopo il Big Bang e metterà alla prova la teoria della gravità di Einstein sull'età dell'universo.

L'High Latitude Imaging Survey misurerà le forme e le distanze di moltitudini di galassie e ammassi di galassie. L'immensa gravità di oggetti massicci deforma lo spazio-tempo e fa apparire distorte le galassie più distanti. L'osservazione del grado di distorsione consente agli scienziati di dedurre la distribuzione della massa in tutto il cosmo. Questo include tutto ciò che possiamo vedere direttamente, come pianeti e stelle, così come la materia oscura - un altro mistero cosmico oscuro che è visibile solo attraverso i suoi effetti gravitazionali sulla materia normale. Questa indagine fornirà una misurazione indipendente della crescita della struttura su larga scala nell'universo e di come l'energia oscura ha influenzato il cosmo.

WFIRST condurrà anche un'indagine su un tipo di stella che esplode, basandosi sulle osservazioni che hanno portato alla scoperta dell'espansione accelerata. Le supernove di tipo Ia si verificano quando una nana bianca esplode. Le supernove di tipo Ia hanno generalmente la stessa luminosità assoluta al loro picco, rendendole le cosiddette "candele standard". Ciò significa che gli astronomi possono determinare quanto sono lontani vedendo quanto sono luminosi dalla Terra - e quanto più sono lontani, più deboli appaiono. Gli astronomi esamineranno anche le particolari lunghezze d'onda della luce proveniente dalle supernovae per scoprire quanto velocemente le stelle morenti si stanno allontanando da noi. Combinando le distanze con le misurazioni della luminosità, gli scienziati vedranno come l'energia oscura si è evoluta nel tempo, fornendo un controllo incrociato con le due rilevazioni ad alta latitudine.

"La missione WFIRST è unica nel combinare questi tre metodi. Condurrà a un'interpretazione molto solida e ricca degli effetti dell'energia oscura e ci consentirà di fare una dichiarazione precisa sulla natura dell'energia oscura, " ha detto Olivier Doré, uno scienziato ricercatore presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, e leader del team che pianifica i primi due metodi di indagine con WFIRST.

Scoprire come l'energia oscura ha influenzato l'espansione dell'universo in passato farà luce su come influenzerà l'espansione in futuro. Se continua ad accelerare l'espansione dell'universo, potremmo essere destinati a sperimentare un "Grande Strappo". In questo scenario, l'energia oscura alla fine sarebbe diventata dominante sulle forze fondamentali, causando tutto ciò che è attualmente legato insieme - galassie, pianeti, persone - per rompere. Esplorare l'energia oscura ci permetterà di indagare, e forse anche prevedere, il destino dell'universo.