Come astronomo, non c'è sensazione migliore che ottenere la "prima luce" con un nuovo strumento o telescopio. È il culmine di anni di preparativi e costruzione di nuovo hardware, che per la prima volta raccoglie particelle di luce da un oggetto astronomico. Questo di solito è seguito da un sospiro di sollievo e poi dall'eccitazione di tutta la nuova scienza che è ora possibile.

Il 22 ottobre, il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) sul Mayall Telescope in Arizona, NOI, raggiunto la prima luce. Questo è un enorme passo avanti nella nostra capacità di misurare le distanze delle galassie, consentendo una nuova era di mappatura delle strutture nell'universo. Come indica il nome, potrebbe anche essere la chiave per risolvere una delle più grandi domande della fisica:qual è la misteriosa forza soprannominata "energia oscura" che costituisce il 70 percento dell'universo?

Il cosmo è grumoso. Le galassie vivono insieme in gruppi di poche o decine di galassie. Ci sono anche ammassi di poche centinaia o migliaia di galassie e superammassi che contengono molti di questi ammassi.

Questa gerarchia dell'universo è stata conosciuta dalle prime mappe dell'universo, che sembrava un "stickman" nei grafici del pionieristico Center for Astrophysics (CfA) Redshift Survey. Queste immagini impressionanti furono il primo assaggio di strutture su larga scala nell'universo, alcuni si estendono per centinaia di milioni di anni luce.

L'indagine CfA è stata laboriosamente costruita una galassia alla volta. Ciò ha comportato la misurazione dello spettro della luce della galassia, una suddivisione della luce per lunghezza d'onda, o colore e identificando le impronte digitali di alcuni elementi chimici (principalmente idrogeno, azoto e ossigeno).

Queste firme chimiche vengono sistematicamente spostate su lunghezze d'onda più lunghe e più rosse a causa dell'espansione dell'universo. Questo "spostamento verso il rosso" è stato rilevato per la prima volta dall'astronomo Vesto Slipher e ha dato origine all'ormai famosa Legge di Hubble, l'osservazione che le galassie più distanti sembrano allontanarsi a una velocità maggiore. Ciò significa che le galassie vicine sembrano allontanarsi in modo relativamente lento in confronto:sono meno spostate verso il rosso rispetto alle galassie lontane. Perciò, misurare lo spostamento verso il rosso di una galassia è un modo per misurare la sua distanza.

In modo cruciale, l'esatta relazione tra redshift e distanza dipende dalla storia di espansione dell'Universo che può essere calcolata teoricamente usando la nostra teoria della gravità e le nostre ipotesi sulla materia e sulla densità energetica dell'universo.

Tutte queste ipotesi furono infine verificate all'inizio del secolo con la combinazione di nuove osservazioni dell'universo, incluse nuove mappe 3D da rilievi redshift più grandi. In particolare, lo Sloan Digital Sky Survey (SDSS) è stato il primo telescopio dedicato per il rilevamento del redshift a misurare oltre un milione di redshift delle galassie, mappare la struttura su larga scala dell'universo con dettagli senza precedenti.

Le mappe SDSS includevano centinaia di superammassi e filamenti e hanno contribuito a fare una scoperta inaspettata:l'energia oscura. Hanno mostrato che la densità della materia dell'universo era molto inferiore a quella prevista dal Fondo Cosmico a Microonde, che è la luce rimasta dal Big Bang. Ciò significava che doveva esserci una sostanza sconosciuta, soprannominata energia oscura, guidando un'espansione accelerata dell'Universo e diventando sempre più privi di materia.

Il puzzle

La combinazione di tutte queste osservazioni ha annunciato una nuova era di comprensione cosmologica con un universo composto per il 30 percento di materia e per il 70 percento di energia oscura. Ma nonostante il fatto che la maggior parte dei fisici ora abbia accettato l'esistenza di una cosa come l'energia oscura, non ne conosciamo ancora la forma esatta.

Ci sono diverse possibilità però. Molti ricercatori credono che l'energia del vuoto abbia semplicemente un valore particolare, soprannominata una "costante cosmologica". Altre opzioni includono la possibilità che la teoria della gravità di enorme successo di Einstein sia incompleta se applicata sull'enorme scala dell'intero universo.

Nuovi strumenti come DESI aiuteranno a fare il passo successivo per risolvere il mistero. Misurerà decine di milioni di spostamenti verso il rosso della galassia, che copre un enorme volume dell'universo fino a dieci miliardi di anni luce dalla Terra. Un tale incredibile, una mappa dettagliata dovrebbe essere in grado di rispondere ad alcune domande chiave sull'energia oscura e sulla creazione di strutture su larga scala nell'universo.

Per esempio, dovrebbe essere in grado di dirci se l'energia oscura è solo una costante cosmologica. Per fare ciò misurerà il rapporto tra la pressione che l'energia oscura esercita sull'universo e l'energia per unità di volume. Se l'energia oscura è una costante cosmologica, questo rapporto dovrebbe essere costante sia nel tempo cosmico che nel luogo. Per altre spiegazioni, però, questo rapporto varierebbe. Qualsiasi indicazione che non sia una costante sarebbe rivoluzionaria e stimolerebbe un intenso lavoro teorico.

DESI dovrebbe anche essere in grado di vincolare, e anche uccidere, molte teorie della gravità modificata, forse fornendo un'enfatica conferma della Teoria della Relatività Generale di Einstein su scale più grandi. O il contrario, e ancora una volta ciò scatenerebbe una rivoluzione nella fisica teorica.

Un'altra teoria importante che sarà testata con DESI è l'inflazione, che predice che minuscole fluttuazioni quantistiche casuali della densità di energia nell'universo primordiale sono state espanse in modo esponenziale durante un breve periodo di intensa crescita per diventare i semi delle strutture su larga scala che vediamo oggi.

DESI è solo una delle numerose missioni ed esperimenti di energia oscura di prossima generazione in arrivo nel prossimo decennio, quindi c'è sicuramente motivo di essere ottimisti sul fatto che potremmo presto risolvere il mistero dell'energia oscura. Nuove missioni satellitari come Euclid, e massicci osservatori terrestri come il Large Synoptic Survey Telescope, offrirà anche spunti.

Ci saranno anche altri strumenti redshift come DESI tra cui 4MOST presso l'European Southern Observatory. Insieme, questi forniranno centinaia di milioni di redshift in tutto il cielo portando a una mappa inimmaginabile del nostro cosmo.

Sembra molto tempo fa, quando scrissi il mio dottorato di ricerca. tesi basata su soli 700 spostamenti verso il rosso della galassia. Dimostra davvero che è un momento emozionante per essere un astronomo.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.