Uno dei più grandi misteri della scienza è iniziato con una stella morente.

Non era una stella morente in particolare, quanto l'idea di una. Negli anni '80, Saul Perlmutter del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) e i suoi collaboratori si sono resi conto che potevano usare i dati sulle supernove per fare ricerche sulla storia dell'universo. Le supernovae sono stelle esplosive estremamente luminose che proiettano gran parte della loro massa nello spazio prima che si spengano.

Fortunatamente, La luminosità delle supernove di tipo Ia è molto consistente. Anche quando la loro luminosità effettiva varia, lo fa in modo prevedibile. Confrontando le misurazioni della luminosità di queste supernove nei telescopi con la loro luminosità effettiva, insieme alle misurazioni della luce dalle loro galassie di casa, gli scienziati possono capire la loro età e distanza da noi. Usando quelli, possono stimare come l'universo si è espanso nel tempo.

Nel corso di un decennio, Il team di Perlmutter ha raccolto dati sufficienti per cercare una relazione tra la luminosità di una supernova e la distanza dalla Terra. Si aspettavano di vedere quelle supernove molto distanti apparire un po' più luminose di quanto non sarebbero state in un universo in espansione che non stava rallentando la sua crescita.

I dati hanno rivelato tutt'altra cosa.

Le supernove sembravano tutte più deboli di quanto avrebbero dovuto per la loro distanza. All'inizio, gli scienziati pensavano che fosse solo un bizzarro insieme di dati. "Quando vedi un nuovo incredibile risultato, il tuo primo pensiero non è 'Eureka!, ' suo, 'Questo è un grafico dall'aspetto interessante, '", ha detto Perlmutter. Lui e il suo team hanno trascorso più di sei mesi a controllare ogni aspetto del grafico, cercando qualche aspetto dell'analisi che potrebbe essere sbagliato.

Non lo era.

Infatti, mostrava il contrario:l'universo si stava espandendo sempre più rapidamente. L'implicazione di questo era drammatica. Perché i dati funzionino con la teoria della relatività generale di Einstein, il fondamento dell'astrofisica, il 70% dell'energia dell'universo deve provenire da una fonte sconosciuta.

Qualcosa, moltissimo, mancava alla nostra comprensione fondamentale dell'universo.

Mentre Perlmutter si preparava per una conferenza imminente, ha apportato una serie di modifiche alle sue diapositive in plastica trasparente per presentare i nuovi risultati. "Sai che è molto grande, risultato significativo, ma questo ti rende ancora più attento, " disse. "Quando lo dici in pubblico, ci lavori da così tanto tempo che non ti sembra una sorpresa."

Ma per il pubblico, il suo discorso del 1998 ha fatto grandi ondate. Non molto dopo, una squadra in competizione ha presentato lo stesso risultato. Nel 2011, Perlmutter, Brian Schmidt, e Adam Riess ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica per la scoperta.

Perché non sappiamo cosa sta spingendo l'universo verso l'esterno sempre più velocemente, "energia oscura" è l'abbreviazione degli scienziati per il misterioso processo. Per comprendere la storia del nostro universo, i ricercatori supportati dal DOE Office of Science stanno collaborando con scienziati di tutto il mondo per costruire elaborate mappe 3D dello spazio e del tempo.

Considerando le possibilità

Qualunque sia l'energia oscura, è strano. Nessuna delle possibilità si adatta alla comprensione della fisica da parte degli scienziati.

La prima possibilità è che sia la "costante cosmologica". Quando Albert Einstein sviluppò le equazioni che descrivono la relatività generale, pensava che l'universo fosse rimasto della stessa dimensione. Per controbilanciare la gravità tirando verso l'interno l'universo, si è bloccato in una variabile, la costante cosmologica, indicando che qualcosa stava spingendo verso l'esterno. Quando Edwin Hubble scoprì che l'universo si stava espandendo, Einstein ha rimosso la costante. Quando hanno scoperto che c'è qualcosa di misterioso che spinge verso l'esterno, gli scienziati sono tornati all'idea di Einstein. Sfortunatamente, i numeri dei dati sperimentali sono 10 ¹²⁰ volte inferiore alle aspettative per una costante cosmologica nelle equazioni.

Ci sono altre due possibilità. Il secondo è che l'energia oscura è una forma sconosciuta di energia che è cambiata nel tempo. La terza possibilità è che la relatività generale non spieghi cosa succede su scale più grandi. Anziché, sarebbe un'approssimazione di una teoria ancora più generale. Ciò getterebbe una chiave inglese in uno dei nostri pilastri dell'astrofisica di maggior successo.

Più che l'inizio dell'universo

Capire come la struttura dell'universo è cambiata nel tempo può aiutare gli scienziati a determinare se l'energia oscura è costante o meno.

Gli scienziati sanno già come appariva l'universo nei suoi primi giorni, circa 10 miliardi di anni fa. Hanno studiato il fondo cosmico a microonde, una serie di deboli tracce di calore rimaste da quel momento. Dall'esame di questa radiazione persistente, gli scienziati possono elaborare i modelli di densità e radiazioni a quei tempi.

È capire cosa è successo da 10 miliardi di anni in poi, questa è la parte difficile. per fortuna, gli scienziati hanno a disposizione qualcosa come il viaggio nel tempo quando si tratta di oggetti che sono estremamente lontani. Perché la luce impiega tempo per arrivare sulla Terra, telescopi estremamente potenti non guardano le stelle moderne. Anziché, gli scienziati stanno vedendo come quelle stelle sembravano migliaia, milioni, e anche miliardi di anni fa, a seconda di quanto sono distanti. Guardare indietro a stelle sempre più lontane consente loro di creare mappe che mappano la lunghezza, larghezza, e distanza nel tempo.

Come misurare l'universo

Per una mappa di questo tipo, gli scienziati hanno bisogno di strumenti speciali basati sulle stelle e sulle galassie stesse.

Le supernove di tipo Ia sono la prima opzione. L'uso di questo metodo richiede che gli scienziati eseguano nuove misurazioni delle supernove con una precisione molto più elevata a una gamma di distanze più ampia. "Quasi tutta la vasta gamma di teorie si adatta ai dati e non sarebbe distinguibile l'una dall'altra se non con molto, misurazioni di altissima precisione, " disse Perlmutter.

Sebbene l'Office of Science del DOE stia supportando diversi progetti che possono effettuare queste misurazioni ad alta precisione, sono necessarie anche altre tecniche. Per qualcosa che è così al di fuori del regno della fisica conosciuta, gli scienziati vogliono più metodi per confrontare i risultati.

Il prossimo strumento è l'analisi dell'oscillazione acustica barionica (BAO). Come lo sfondo cosmico a microonde, il BAO è un residuo dei primi giorni dell'universo. Non molto tempo dopo il Big Bang, il plasma che tutto componeva si espanse, creando onde di densità e pressione. Circa 370, 000 anni dopo, il plasma si è raffreddato, "congelando" le onde di pressione. Le onde di cresta hanno lasciato grumi di materia all'inizio e alla fine. Man mano che l'universo cresceva, quei modelli d'onda si sono allungati.

Ora, i modelli sono impressi sulla distribuzione di tutta la materia. Osservando come i modelli del fondo cosmico a microonde (che riflettono l'inizio dell'universo) sono diversi dai modelli del BAO (che riflettono l'universo centrale e attuale), gli scienziati possono mappare i cambiamenti nella distribuzione della materia nel tempo. "Si basa sulla fisica fondamentale dall'inizio dell'universo, " disse Parker Fagrelius, un ricercatore LBNL.

Se questo non fosse abbastanza sconvolgente, una tecnica diversa chiamata lente gravitazionale debole misura il modo in cui oggetti massicci distorcono la forma delle galassie. Le galassie sono così grandi che piegano lo spazio, insieme alla luce di altre galassie dietro di loro. Quando un telescopio sulla Terra scatta una foto delle galassie sullo sfondo, le loro forme sono allungate rispetto alle loro vere forme. Misurando questa minuscola distorsione nella forma delle galassie sullo sfondo in diverse posizioni, gli scienziati possono capire la massa di quelli in primo piano. Questa tecnica può anche aiutarli a mappare la distribuzione della materia, includendo sia la materia visibile che quella oscura. "È uno dei modi più puliti per misurare la massa, " disse Maria Elidaiana da Silva Pereira, un ricercatore della Brandeis University che lavora alla Dark Energy Survey.

L'ultima opzione è misurare le proprietà degli ammassi di galassie, o gruppi di galassie. Gli ammassi più grandi rivelano dove l'universo primordiale era il più denso. "Possono dirci molto sulla crescita e la formazione delle strutture nell'universo, " disse Antonella Palmese, un ricercatore presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE.

Non la solita fotocamera digitale

Gli scienziati hanno anche la loro scelta di opzioni quando si tratta di acquisire dati.

I rilievi di immagini sono telescopi con fotocamere digitali giganti. prendono grandi, ampie fotografie del cielo che includono un numero enorme di galassie e supernovae. Gli scienziati analizzano la luminosità e il colore degli oggetti, che fornisce loro informazioni sulla loro distanza e massa.

L'indagine sull'energia oscura, che è supportato da un gruppo internazionale che include l'Office of Science del DOE, fornisce il set di dati di imaging più completo disponibile. Queste immagini provengono da una fotocamera da 520 megapixel; in confronto, le fotocamere point-and-shoot sono da 16 a 20 megapixel. Montato su un telescopio in Cile, la Dark Energy Camera ha scattato foto di circa un quarto del cielo australe per cinque anni. Quando ha finito di rilevare i dati nel gennaio 2019, aveva foto di oltre 300 milioni di galassie, decine di migliaia di ammassi di galassie, e diverse migliaia di supernove di tipo Ia. "Non c'era niente di così potente come il Dark Energy Survey in termini di numero di galassie e ammassi di galassie, " disse Palmese.

Osservare così tante galassie ha offerto agli scienziati uno sguardo senza precedenti sulla lente gravitazionale debole. Il team ha effettuato la misurazione più precisa di come la materia è distribuita nell'universo finora. Con quelle osservazioni, hanno eseguito un modello di un universo composto da energia oscura e materia oscura come se l'energia oscura fosse costante nel tempo (che sarebbe se fosse la costante cosmologica) e se non lo fosse (qualche altra forza). Se i risultati dei modelli che utilizzano i dati dell'indagine sull'energia oscura e i risultati del fondo cosmico a microonde corrispondevano, avrebbe confermato che il modello della costante cosmologica funziona bene. In altre parole, mostrerebbe che l'energia oscura è una costante cosmologica.

I risultati sono stati vicini, ma non proprio gli stessi. Mentre i dati tendevano alla costante, non era abbastanza forte per dire se c'è una reale discrepanza tra la quantità di materia misurata dal Dark Energy Survey rispetto ai risultati del fondo cosmico a microonde. Ciò potrebbe indicare alcuni problemi con il modello stesso.

La prossima cosa grande

A differenza delle fotocamere digitali delle indagini di imaging, le indagini spettroscopiche hanno fasci di cavi in ​​fibra ottica, ognuno dei quali raccoglie luce da una galassia diversa. Questi fasci forniscono tipi di informazioni sulle lunghezze d'onda visibili e non visibili della luce che sono diverse da quelle che gli scienziati possono ottenere dalle fotografie. Queste informazioni forniscono dettagli precisi sulla distanza e la velocità di un oggetto. Però, un'indagine spettroscopica può acquisire dati solo su una frazione degli oggetti rispetto a un'indagine di imaging.

Lo strumento spettroscopico per l'energia oscura (DESI) è il prossimo passo avanti. Uno strumento spettroscopico installato sul telescopio Mayall in Arizona, DESI inizierà a raccogliere dati del cielo settentrionale all'inizio del prossimo anno. Ciò che rende DESI unico rispetto ai sondaggi passati è l'enorme quantità di dati che può richiedere. Sarà in grado di raccogliere dati sullo spettro della luce dall'ultravioletto fino all'infrarosso su 5, 000 galassie contemporaneamente.

"Apre davvero la linea temporale cosmologica, " disse Fagrelio, che ha lavorato al progetto per gran parte della sua carriera. "È davvero emozionante." DESI dovrebbe fornire risultati per il BAO tre volte più accurati di tutti i calcoli precedenti combinati, nonché dati approfonditi su lenti e ammassi di galassie. La combinazione di questi risultati potrebbe darci la migliore visione di come si è comportata l'energia oscura nel tempo.

Con questi strumenti e il Large Synoptic Survey Telescope, che dovrebbe essere lanciato in Cile nel 2023, gli scienziati prevedono di definire una descrizione precisa dell'energia oscura.

Ma è probabile che l'indagine sollevi più domande di quante ne risponda. Dopotutto, questa indagine è iniziata perché Perlmutter e il suo team stavano cercando di capire quanto l'espansione dell'universo stesse rallentando. Non si aspettavano mai di trovare il contrario.

"Quello di cui sono entusiasta è quello che non ci aspettiamo di vedere, " disse Fagrelius. "Con questa quantità di dati, scopriremo cose che non sapevamo di cercare".