Figura 1:Mappa bidimensionale della materia oscura stimata mediante tecnica di lente debole. La materia oscura è concentrata in densi ammassi. Possiamo identificare aloni massicci di materia oscura (indicati da cerchi arancioni). L'area mostrata in questa figura è di circa 30 gradi quadrati (questa volta è stato osservato un totale di 160 gradi quadrati). La mappa di distribuzione senza i cerchi arancioni è disponibile qui. Credito:NAOJ/Università di Tokyo
Un team di ricerca di più istituti, tra cui l'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone e l'Università di Tokyo, ha rilasciato una mappa della materia oscura straordinariamente ampia e nitida basata sui dati di imaging appena ottenuti da Hyper Suprime-Cam sul telescopio Subaru. La distribuzione della materia oscura è stimata con la tecnica della lente gravitazionale debole (Figura 1, Film). Il team ha individuato le posizioni e i segnali delle lenti degli aloni della materia oscura e ha trovato indicazioni che il numero di aloni potrebbe essere incoerente con ciò che suggerisce il modello cosmologico più semplice. Questo potrebbe essere un nuovo indizio per capire perché l'espansione dell'Universo sta accelerando.
Mistero dell'Universo accelerato
Negli anni '30, Edwin Hubble ei suoi colleghi hanno scoperto l'espansione dell'Universo. Questa è stata una grande sorpresa per la maggior parte delle persone che credevano che l'Universo fosse rimasto lo stesso per l'eternità. Era necessaria una formula che mettesse in relazione la materia e la geometria dello spazio-tempo per esprimere matematicamente l'espansione dell'Universo. Coincidentalmente, Einstein aveva già sviluppato proprio una formula del genere. La cosmologia moderna si basa sulla teoria della gravità di Einstein.
Si era pensato che l'espansione rallentasse nel tempo (linee blu e rosse in Figura 2) perché i contenuti dell'Universo (materia) si attraggono l'un l'altro. Ma alla fine degli anni '90, si è riscontrato che l'espansione sta accelerando da circa 8 Giga anni fa. Questa è stata un'altra grande sorpresa che è valsa agli astronomi che hanno trovato l'espansione un premio Nobel nel 2011. Per spiegare l'accelerazione, dobbiamo considerare qualcosa di nuovo nell'Universo che respinge lo spazio.
La soluzione più semplice è rimettere la costante cosmologica nell'equazione di Einstein. La costante cosmologica è stata originariamente introdotta da Einstein per realizzare un universo statico, ma fu abbandonato dopo la scoperta dell'espansione dell'Universo. Il modello cosmologico standard (chiamato LCDM) incorpora la costante cosmologica. La cronologia dell'espansione utilizzando LCDM è mostrata dalla linea verde nella Figura 2. LCDM è supportata da molte osservazioni, ma rimane la domanda su cosa causi l'accelerazione. Questo è uno dei maggiori problemi della cosmologia moderna.
Rilievo di immagini ampio e profondo con Hyper Suprime-Cam
Figura 2:Storia di espansione dell'Universo. La linea blu mostra ciò che si credeva fosse probabile nei primi giorni della cosmologia. In seguito questo modello cosmologico è caduto in disgrazia perché prevede un tasso di crescita più elevato e più strutture, incompatibile con la distribuzione galattica osservata. Così è stato proposto un modello di Universo molto più leggero che è mostrato dalla linea rossa. Questo modello di luce risolveva anche il cosiddetto "problema dell'età, " l'esistenza di ammassi globulari più vecchi dell'età dell'Universo prevista dalla traccia blu. Ma sia la linea blu che quella rossa sono in conflitto con la cosmologia dell'inflazione. Più tardi, quando fu scoperta l'accelerazione dell'Universo, LCDM rappresentato dal binario verde, è stato adottato come il modello più probabile. Grazie all'aggiunta della costante cosmologica, LCDM diventa coerente con il modello di inflazione. Attestazione:NAOJ
Il team sta conducendo un'indagine di imaging su larga scala utilizzando Hyper Suprime-Cam (HSC) per sondare il mistero dell'Universo in accelerazione. La chiave qui è esaminare molto attentamente la storia dell'espansione dell'Universo.
Nell'Universo primordiale, la materia era distribuita quasi, ma non in modo del tutto uniforme. C'erano leggere fluttuazioni nella densità che ora possono essere osservate attraverso le fluttuazioni di temperatura del fondo cosmico a microonde. Queste lievi fluttuazioni della materia si sono evolute nel tempo cosmico a causa della reciproca attrazione gravitazionale della materia, e alla fine la struttura su larga scala dell'Universo attuale diventa visibile. È noto che il tasso di crescita della struttura dipende fortemente da come si espande l'Universo. Per esempio, se il tasso di espansione è alto, è difficile che la materia si contragga e il tasso di crescita viene soppresso. Ciò significa che la storia dell'espansione può essere sondata inversamente attraverso l'osservazione del tasso di crescita.
È importante notare che il tasso di crescita non può essere sondato bene se osserviamo solo la materia visibile (stelle e galassie). Questo perché ora sappiamo che quasi l'80% della materia è una sostanza invisibile chiamata materia oscura. Il team ha adottato la "tecnica della lente gravitazionale debole". Le immagini delle galassie lontane sono leggermente distorte dal campo gravitazionale generato dalla distribuzione della materia oscura in primo piano. L'analisi della distorsione sistematica ci consente di ricostruire la distribuzione della materia oscura in primo piano.
Figura 3:immagine Hyper Suprime-Cam di un luogo con un alone di materia oscura altamente significativo rilevato attraverso la tecnica della lente gravitazionale debole. Questo alone è così massiccio che alcune delle galassie di sfondo (blu) sono allungate tangenzialmente attorno al centro dell'alone. Questo è chiamato lente forte. (Credito:NAOJ
Questa tecnica è molto impegnativa dal punto di vista osservativo perché la distorsione di ogni galassia è generalmente molto sottile. Sono necessarie misurazioni precise della forma di galassie deboli e apparentemente piccole. Ciò ha motivato il team a sviluppare Hyper Suprime-Cam. Stanno effettuando un'indagine di imaging ad ampio campo utilizzando Hyper Suprime-Cam da marzo 2014. Al momento della stesura di questo documento, nel febbraio 2018, Il 60% del sondaggio è stato completato.
Mappa della materia oscura senza precedenti, ampia e nitida
In questa versione, il team presenta la mappa della materia oscura basata sui dati di imaging acquisiti ad aprile 2016 (Figura 1). Questo è solo l'11% della mappa finale pianificata, ma è già senza precedenti. Non c'è mai stata una mappa della materia oscura così nitida che copre un'area così ampia.
Le osservazioni di imaging vengono effettuate attraverso cinque diversi filtri di colore. Combinando questi dati di colore, è possibile fare una stima approssimativa delle distanze dalle deboli galassie di fondo (chiamato redshift fotometrico). Allo stesso tempo, l'efficienza della lente diventa più evidente quando la lente si trova direttamente tra la galassia lontana e l'osservatore. Utilizzando le informazioni fotometriche sul redshift, le galassie sono raggruppate in contenitori di spostamento verso il rosso. Usando questo campione di galassie raggruppate, la distribuzione della materia oscura viene ricostruita utilizzando metodi tomografici e quindi è possibile ottenere la distribuzione 3D. La Figura 4 mostra uno di questi esempi. I dati per 30 gradi quadrati vengono utilizzati per ricostruire l'intervallo di redshift tra 0,1 (~ 1,3 G anni luce) e 1,0 (~ 8 G anni luce). Al redshift di 1.0, l'ampiezza angolare corrisponde a 1,0 G x 0,25 G anni luce. Anche questa mappa di massa della materia oscura in 3D è abbastanza nuova. Questa è la prima volta che l'aumento del numero di aloni di materia oscura nel tempo può essere visto osservativamente.
Cosa suggerisce il conteggio dell'alone di materia oscura e prospettive future
Figura 4:Un esempio di distribuzione 3D della materia oscura ricostruita tramite metodi tomografici utilizzando la tecnica della lente debole combinata con le stime del redshift delle galassie di sfondo. Tutte le mappe 3D sono disponibili qui. Credito:Università di Tokyo/NAOJ
Il team ha contato il numero di aloni di materia oscura il cui segnale di lente è al di sopra di una certa soglia. Questa è una delle misurazioni più semplici del tasso di crescita. L'istogramma (linea nera) nella Figura 5 mostra l'intensità del segnale della lente osservata rispetto al numero di aloni osservati, mentre la previsione del modello è mostrata dalla linea rossa continua. Il modello si basa sul modello LCDM standard utilizzando l'osservazione del fondo cosmico a microonde come seme delle fluttuazioni. La figura suggerisce che il numero di aloni di materia oscura è inferiore a quanto previsto da LCDM. Questo potrebbe indicare che c'è un difetto in LCDM e che potremmo dover considerare un'alternativa piuttosto che la semplice costante cosmologica.
La significatività statistica è, però, ancora limitato come suggeriscono le grandi barre di errore (linea verticale sull'istogramma in Figura 5). Non ci sono prove conclusive per rifiutare LCDM, ma molti astronomi sono interessati a testare LCDM perché le discrepanze possono essere una sonda utile per svelare il mistero dell'Universo in accelerazione. Sono necessarie ulteriori osservazioni e analisi per confermare la discrepanza con maggiore significatività. Ci sono alcune altre sonde del tasso di crescita e anche tali analisi sono in corso (ad esempio la correlazione angolare delle forme delle galassie) nel team per verificare la validità dell'LCDM standard.
Questi risultati sono stati pubblicati il 1 gennaio 2018 nel numero speciale HSC delle Pubblicazioni della Astronomical Society of Japan. Il rapporto è intitolato "Un ampio campione di cluster selezionati per taglio dalle mappe di massa del programma strategico Hyper Suprime-Cam Subaru S16A Wide".
Figura 5:Numero di aloni di materia oscura rispetto alla loro potenza del segnale di lente (istogramma nero) e conteggio del numero previsto da LCDM e dalla più recente osservazione CMB del satellite Planck. Credito:NAOJ/Università di Tokyo
