L'universo che vediamo è solo la punta estrema del vasto iceberg cosmico.

Le centinaia di miliardi di galassie che contiene, ognuno di loro ospita miliardi di stelle, pianeti e lune, nonché enormi nubi di gas e polvere che formano stelle e pianeti, e tutta la luce visibile e altra energia che possiamo rilevare sotto forma di radiazione elettromagnetica, come le onde radio, raggi gamma e raggi X, in breve, tutto ciò che abbiamo mai visto con i nostri telescopi, ammonta solo a circa il 5% di tutta la massa e l'energia dell'universo.

Insieme a questa cosiddetta materia normale c'è anche la materia oscura, che non si vede, ma può essere osservato dal suo effetto gravitazionale sul normale, materia visibile, e costituisce un altro 27% dell'universo. Aggiungili insieme, e rappresentano solo il 32% della massa dell'universo, quindi dov'è l'altro 68%?

Energia oscura.

Quindi cos'è esattamente l'energia oscura? In poche parole, è una forza misteriosa che spinge l'universo verso l'esterno e lo fa espandere più velocemente man mano che invecchia, impegnato in un braccio di ferro cosmico con la materia oscura, che sta cercando di mettere insieme l'universo. Oltre a questo, non capiamo ancora cosa sia l'energia oscura, ma gli astronomi di Penn State sono al centro di un gruppo che mira a scoprirlo attraverso un progetto unico e ambizioso in 16 anni di lavoro:HETDEX, l'esperimento sull'energia oscura del telescopio Hobby-Eberly.

"HETDEX ha il potenziale per cambiare il gioco, ", ha affermato il Professore Associato di Astronomia e Astrofisica Donghui Jeong.

L'energia oscura e l'universo in espansione

Oggi c'è consenso tra gli astronomi che l'universo in cui abitiamo si sta espandendo, e che la sua espansione sta accelerando, ma l'idea di un universo in espansione ha meno di un secolo, e la nozione di energia oscura (o qualsiasi altra cosa) che acceleri quell'espansione esiste solo da poco più di 20 anni.

Nel 1917, quando Albert Einstein applicò la sua teoria della relatività generale per descrivere l'universo nel suo insieme, gettando le basi per la teoria del big bang, lui e altri importanti scienziati a quel tempo concepivano il cosmo come statico e non in espansione. Ma per evitare che quell'universo collassi sotto la forza attrattiva della gravità, aveva bisogno di introdurre una forza repulsiva per contrastarla:la costante cosmologica.

Fu solo nel 1929 che Edwin Hubble scoprì che l'universo si sta effettivamente espandendo, e che le galassie più lontane dalla Terra si stanno allontanando più velocemente di quelle più vicine, che il modello di un universo statico fosse finalmente abbandonato. Anche Einstein fu rapido nel modificare le sue teorie, all'inizio degli anni '30 pubblicando due nuovi e distinti modelli dell'universo in espansione, entrambi senza la costante cosmologica.

Ma sebbene gli astronomi avessero finalmente capito che l'universo si stava espandendo, e aveva più o meno abbandonato il concetto di costante cosmologica, presumevano anche che l'universo fosse dominato dalla materia e che la gravità alla fine ne avrebbe rallentato l'espansione; l'universo o continuerebbe ad espandersi per sempre, ma sempre più lentamente, o ad un certo punto cesserebbe la sua espansione e poi crollerebbe, finendo in un "grande crunch".

"Questo è il modo in cui pensavamo che l'universo funzionasse, fino al 1998, " ha detto il professore di Astronomia e Astrofisica Robin Ciardullo, un membro fondatore di HETDEX.

Quell'anno, due team indipendenti, uno guidato da Saul Perlmutter al Lawrence Berkeley National Laboratory, e l'altro guidato da Brian Schmidt dell'Australian National University e Adam Riess dello Space Telescope Science Institute, avrebbe pubblicato quasi simultaneamente risultati sorprendenti che mostravano che l'espansione dell'universo stava effettivamente accelerando, guidato da una misteriosa forza antigravitazionale. Più tardi quell'anno, Il cosmologo Michael Turner dell'Università di Chicago e del Fermilab ha coniato il termine "energia oscura" per descrivere questa forza misteriosa.

La scoperta sarebbe stata nominata "Breakthrough of the Year" dalla rivista Science per il 1998, e nel 2011 Perlmutter, Schmidt e Reiss sarebbero stati insigniti del Premio Nobel per la fisica.

Teorie in competizione

Più di 20 anni dopo la scoperta dell'energia oscura, gli astronomi ancora non sanno cosa, Esattamente, è.

"Ogni volta che gli astronomi dicono 'buio, "significa che non ne abbiamo la più pallida idea, " Jeong ha detto con un sorriso ironico. "L'energia oscura è solo un altro modo per dire che non sappiamo cosa stia causando questa espansione accelerata."

Ci sono, però, una serie di teorie che tentano di spiegare l'energia oscura, e alcuni grandi contendenti.

Forse la spiegazione più favorita è la costante cosmologica precedentemente abbandonata, che i fisici moderni descrivono come energia del vuoto. "Il vuoto in fisica non è uno stato di niente, " ha spiegato Jeong. "È un luogo in cui particelle e antiparticelle vengono continuamente create e distrutte." L'energia prodotta in questo ciclo perpetuo potrebbe esercitare una forza di spinta verso l'esterno sullo spazio stesso, provocandone l'espansione, iniziato nel big bang, accelerare.

Sfortunatamente, i calcoli teorici dell'energia del vuoto non corrispondono alle osservazioni, di un fattore fino a 10 ¹²⁰ , o uno seguito da 120 zeri. "Questo è molto, molto inusuale, "Jeong ha detto, "ma è lì che saremo se l'energia oscura risulta essere costante." Chiaramente questa discrepanza è un grosso problema, e potrebbe richiedere una rielaborazione della teoria corrente, ma la costante cosmologica sotto forma di energia del vuoto è comunque la principale candidata finora.

Come risultato del suo design, HETDEX sta raccogliendo un'enorme quantità di dati, estendendosi ben oltre gli obiettivi previsti e fornendo ulteriori approfondimenti su cose come la materia oscura e i buchi neri, la formazione e l'evoluzione di stelle e galassie, e la fisica delle particelle cosmiche ad alta energia come i neutrini.

Un'altra possibile spiegazione è una nuova, particella o campo ancora da scoprire che permeerebbe tutto lo spazio; ma così lontano, non ci sono prove a sostegno di questo.

Una terza possibilità è che la teoria della gravità di Einstein non sia corretta. "Se parti dall'equazione sbagliata, "Jeong ha detto, "allora ottieni la risposta sbagliata." Ci sono alternative alla relatività generale, ma ognuna ha i suoi problemi e nessuna l'ha ancora sostituita come teoria dominante. Per adesso, è ancora la migliore descrizione della gravità che abbiamo.

In definitiva, ciò che serve sono dati di osservazione più numerosi e migliori, esattamente ciò che HETDEX è stato progettato per raccogliere come nessun altro sondaggio ha fatto prima.

Una mappa di stelle e suoni

"HETDEX è molto ambizioso, " Ha detto Ciardullo. "Osserverà un milione di galassie per mappare la struttura dell'universo andando indietro di oltre due terzi all'inizio del tempo. Siamo gli unici ad andare così lontano per vedere la componente di energia oscura dell'universo e come si sta evolvendo".

Ciardello, un astronomo osservativo che studia di tutto, dalle stelle vicine alle galassie lontane e alla materia oscura, è il responsabile delle osservazioni di HETDEX. È veloce a notare, anche se, che ha un aiuto in quel ruolo (da Jeong e altri) e che lui e tutti gli altri nel progetto indossano più di un cappello. "Questo è un progetto molto grande, " ha detto. "Sono oltre $ 40 milioni. Ma se conti le teste, non sono molte persone. E così facciamo tutti più di una cosa".

Jeong, un astrofisico teorico e cosmologo che studia anche le onde gravitazionali, è stato determinante nel gettare le basi per lo studio ed è fortemente coinvolto nell'analisi dei dati del progetto, e sta anche aiutando Ciardullo a determinare dove puntare il telescopio Hobby-Eberly da 10 metri, il terzo più grande del mondo. "È piuttosto interessante, " ha notato con una risatina, "un teorico che dice agli osservatori dove guardare".

Mentre altri studi misurano l'espansione dell'universo usando supernovae lontane o un fenomeno noto come lente gravitazionale, dove la luce è piegata dalla gravità di oggetti massicci come galassie e buchi neri, HETDEX si concentra sulle onde sonore del big bang, chiamate oscillazioni acustiche barioniche. Sebbene non possiamo effettivamente sentire i suoni nel vuoto dello spazio, gli astronomi possono vedere l'effetto di queste onde sonore primordiali nella distribuzione della materia in tutto l'universo.

Durante i primi 400, Circa 000 anni dopo il big bang, l'universo esisteva come denso, plasma caldo:una zuppa di particelle di materia ed energia. Piccoli disturbi chiamati fluttuazioni quantistiche in quel plasma innescano onde sonore, come le increspature di un sasso gettato in uno stagno, che ha aiutato la materia a cominciare ad aggregarsi ea formare la struttura iniziale dell'universo. Il risultato di questo agglomerato è evidente nel fondo cosmico a microonde (chiamato anche "afterglow" del big bang), che è la prima luce, e il più lontano indietro, che possiamo vedere nell'universo. Ed è anche impresso nella distribuzione delle galassie nel corso della storia dell'universo, come le increspature sul nostro stagno, congelato nello spazio.

"La fisica delle onde sonore è abbastanza nota, — disse Ciardullo. — Vedi quanto sono andate lontano queste cose, sai quanto velocemente hanno viaggiato le onde sonore, quindi conosci la distanza. Hai un righello standard sull'universo, attraverso la storia cosmica."

Come l'universo si è espanso, così ha fatto il sovrano, e quelle variazioni nel righello mostreranno come il tasso di espansione dell'universo, guidato da energia oscura, è cambiato nel tempo.

"Fondamentalmente, "Jeong ha detto, "facciamo una mappa tridimensionale delle galassie e poi la misuriamo".

Nuovo spazio di scoperta

Per fare la loro mappa di milioni di galassie, il team di HETDEX aveva bisogno di un nuovo strumento potente.

Un insieme di oltre 150 spettrografi chiamati VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), montato sul telescopio Hobby-Eberly, raccoglie la luce di quelle galassie in una schiera di circa 35, 000 fibre ottiche e poi lo divide nelle sue lunghezze d'onda componenti in un continuum ordinato noto come spettro.

Gli spettri delle galassie rivelano, tra l'altro, la velocità con cui si stanno allontanando da noi, una misura nota come "redshift". A causa dell'effetto Doppler, la lunghezza d'onda di un oggetto che si allontana dal suo osservatore è allungata (si pensi a una sirena che diminuisce di tono man mano che si allontana), e un oggetto che si muove verso il suo osservatore ha la sua lunghezza d'onda compressa, come quella stessa sirena che aumenta di tono man mano che si avvicina. Nel caso di galassie che si allontanano, la loro luce è allungata e quindi spostata verso l'estremità rossa dello spettro.

La misurazione di questo redshift consente al team di HETDEX di calcolare la distanza da quelle galassie e di produrre una mappa tridimensionale precisa delle loro posizioni.

Tra le galassie che HETDEX sta osservando ci sono le cosiddette galassie Lyman-alfa, giovani galassie che formano stelle che emettono forti righe spettrali a specifiche lunghezze d'onda dell'ultravioletto.

"Stiamo usando le galassie che emettono Lyman alfa come 'particella tracciante, '" ha spiegato il Professore di Astronomia e Astrofisica Caryl Gronwall, che è anche un membro fondatore di HETDEX. "Sono facili da trovare perché hanno una linea di emissione molto forte, che è facile da trovare spettroscopicamente con lo strumento VIRUS. Quindi abbiamo questo metodo che individua in modo efficiente le galassie con uno spostamento verso il rosso piuttosto elevato, e poi possiamo misurare dove sono, misurare le loro proprietà."

Gronwall, che insieme a Ciardullo studia le galassie Lyman-alfa da quasi 20 anni, guida gli sforzi di HETDEX in questo settore, mentre il Professore Associato di Astronomia e Astrofisica Derek Fox presta la sua esperienza alla calibrazione dello strumento VIRUS, usando osservazioni accidentali di stelle con proprietà ben note per mettere a punto i suoi spettri.

"Ogni scatto che facciamo con HETDEX, osserviamo alcune stelle sulle fibre, " ha spiegato Fox. "Questa è un'opportunità, perché le stelle ti dicono quanto sia sensibile il tuo esperimento. Se conosci la luminosità delle stelle e vedi i dati che raccogli su di esse, offre l'opportunità di mantenere la calibrazione al punto."

Uno dei maggiori punti di forza di HETDEX è che è stato progettato come un rilevamento alla cieca, osservando ampie aree di cielo anziché specifiche, oggetti predeterminati. "Nessuno ha mai provato a fare un sondaggio come questo prima, " Disse Ciardullo. "E 'sempre "Trova i tuoi oggetti, poi fai la spettroscopia." Siamo i primi a provare a fare un sacco di spettroscopia e poi a capire cosa abbiamo visto."

Come risultato di questo disegno, HETDEX sta raccogliendo un'enorme quantità di dati, estendendosi ben oltre gli obiettivi previsti e fornendo ulteriori approfondimenti su cose come la materia oscura e i buchi neri, la formazione e l'evoluzione di stelle e galassie, e la fisica delle particelle cosmiche ad alta energia come i neutrini.

"È molto diverso e molto interessante, " Jeong ha detto. "Abbiamo un enorme spazio di scoperta".

Ciardello ha aggiunto, "Una cosa che puoi dedurre:se devi prima vedere un oggetto prima di puntare lì lo spettroscopio, bene, va bene, ma richiede che l'oggetto possa essere visto. HETDEX può osservare spettri di cose che non puoi vedere."

Ciò significa che oltre ai dati noti che sta raccogliendo, HETDEX sta aprendo una finestra su scoperte inaspettate, scoperte ancora impreviste. "Saremo un pioniere per ulteriori esperimenti, "Ciardullo ha detto, e quel sentimento è ripreso da altri membri della squadra, compreso Volpe.

"Stiamo sicuramente aprendo nuove strade là fuori, " ha detto. "C'è grande, grande potenziale per scoperte davvero entusiasmanti."

Torna alle radici, e oltre

La scienza futuristica di HETDEX è, in una strana svolta, molto in linea con le idee che hanno guidato lo sviluppo dell'Hobby-Eberly Telescope (HET) quasi 40 anni fa.

"HET è stato inizialmente concepito come il Penn State Spectroscopic Survey Telescope, " ha spiegato il Professor Emerito di Astronomia e Astrofisica Larry Ramsey, che inventò il telescopio nel 1983 con l'allora collega della Penn State Dan Weedman, e in seguito è stato presidente del consiglio di amministrazione dell'HET. "La missione originale era condurre indagini spettroscopiche, e nei quasi 20 anni tra quando abbiamo dedicato per la prima volta il telescopio e quando abbiamo avviato HETDEX, il telescopio non stava realmente facendo rilievi. Quindi, in un senso molto reale, HETDEX sta riportando l'HET alle sue radici, ed è diventato un progetto davvero interessante."

"La portata di questo sondaggio è molto futuristica, anche adesso, " ha detto Jeong. Ricordando una recente conferenza di cosmologia, raccontò una discussione sul futuro delle indagini galattiche. "Mi sono seduto lì e ho ascoltato, ed era fondamentalmente quello che stiamo facendo, " ha detto. "HETDEX è un sondaggio futuro che esiste ora."

Oltre a ciò che HETDEX scopre sull'energia oscura, i dati che sta raccogliendo forniranno anche foraggio per studi futuri ben oltre lo scopo della propria missione. E le probabilità sono, HETDEX continuerà a fare scienza "spaziale" sul lontano, universo ad alto redshift per alcuni anni a venire.

"Anche i sondaggi futuri attualmente pianificati non vanno oltre HETDEX, " Jeong ha detto. "Penso che saremo ancora in prima linea, anche tra 10 anni".