La mappa SDSS viene mostrata come un arcobaleno di colori, situato all'interno dell'Universo osservabile (la sfera esterna, che mostra le fluttuazioni dello sfondo cosmico a microonde). Ci troviamo al centro di questa mappa. L'inserto per ogni sezione codificata a colori della mappa include un'immagine di una tipica galassia o quasar di quella sezione, e anche il segnale del modello che il team di eBOSS misura lì. Mentre guardiamo in lontananza, guardiamo indietro nel tempo. Così, la posizione di questi segnali rivela il tasso di espansione dell'Universo in diversi momenti della storia cosmica. Credito:Anand Raichoor (EPFL), Ashley Ross (Ohio State University) e la collaborazione SDSS
Lo Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ha pubblicato oggi un'analisi completa della più grande mappa tridimensionale dell'universo mai creata, colmare le lacune più significative nella nostra possibile esplorazione della sua storia.
"Conosciamo abbastanza bene sia l'antica storia dell'universo che la sua recente espansione, ma c'è un fastidioso divario nel mezzo di 11 miliardi di anni, " dice il cosmologo Kyle Dawson dell'Università dello Utah, che guida la squadra annunciando i risultati di oggi. "Per cinque anni, abbiamo lavorato per colmare questa lacuna, e stiamo usando queste informazioni per fornire alcuni dei progressi più sostanziali in cosmologia nell'ultimo decennio".
I nuovi risultati provengono dall'esteso Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), una collaborazione internazionale di oltre 100 astrofisici che è uno dei sondaggi componenti l'SDSS. Al centro dei nuovi risultati ci sono misurazioni dettagliate di oltre due milioni di galassie e quasar che coprono 11 miliardi di anni di tempo cosmico.
Sappiamo com'era l'universo nella sua infanzia, grazie alle migliaia di scienziati di tutto il mondo che hanno misurato le quantità relative di elementi creati subito dopo il Big Bang, e che hanno studiato il Cosmic Microwave Background. Conosciamo anche la sua storia di espansione negli ultimi miliardi di anni dalle mappe galattiche e dalle misurazioni della distanza, compresi quelli delle fasi precedenti dell'SDSS.
Questa immagine illustra l'impatto che le mappe eBOSS e SDSS hanno avuto sulla nostra comprensione dell'attuale tasso di espansione e curvatura dell'Universo negli ultimi 20 anni di lavoro. La regione grigia mostra la nostra conoscenza di 10 anni fa. La regione blu mostra la migliore misurazione della corrente, che combina SDSS e altri programmi. Le dimensioni decrescenti delle regioni colorate mostrano come la nostra conoscenza del tasso di espansione sia migliorata. Il contributo dei dati SDSS a questo miglioramento è mostrato dalla regione rossa. Le misure della curvatura dell'Universo sono mostrate sull'asse orizzontale. I risultati dell'SDSS, che puntano sullo zero, suggeriscono che l'Universo è piatto, e migliorare significativamente i vincoli di altri esperimenti. L'asse verticale mostra l'attuale tasso di espansione dell'Universo (la costante di Hubble). Le misurazioni della costante di Hubble da SDSS e altri sondaggi non sono coerenti con le misurazioni delle galassie vicine, che trovano un valore vicino a 74 in queste unità – contro 68 per l'SDSS. Solo con i dati presi da SDSS e altri esperimenti nell'ultimo decennio è stato possibile rivelare questa discrepanza. Credito:Eva-Maria Mueller (Università di Oxford) e la collaborazione SDSS
"Presi insieme, analisi dettagliate della mappa eBOSS e dei precedenti esperimenti SDSS hanno ora fornito le misurazioni della storia dell'espansione più accurate nell'intervallo più ampio di tempo cosmico, " dice Will Percival dell'Università di Waterloo, Scienziato del sondaggio di eBOSS. "Questi studi ci consentono di collegare tutte queste misurazioni in una storia completa dell'espansione dell'universo".
Uno sguardo ravvicinato alla mappa rivela i filamenti e i vuoti che definiscono la struttura nell'universo, a partire dal tempo in cui l'universo era solo di circa 300, 000 anni. Da questa mappa, i ricercatori misurano i modelli nella distribuzione delle galassie, che danno diversi parametri chiave del nostro universo con una precisione migliore dell'1%. I segnali di questi modelli sono mostrati nei riquadri nell'immagine.
Questa mappa rappresenta lo sforzo combinato di oltre 20 anni di mappatura dell'universo utilizzando il telescopio della Sloan Foundation. La storia cosmica che è stata rivelata in questa mappa mostra che circa sei miliardi di anni fa, l'espansione dell'universo iniziò ad accelerare, e da allora ha continuato a diventare sempre più veloce. Questa espansione accelerata sembra essere dovuta a un misterioso componente invisibile dell'universo chiamato "energia oscura, " coerente con la Teoria della Relatività Generale di Einstein ma estremamente difficile da conciliare con la nostra attuale comprensione della fisica delle particelle.
La combinazione delle osservazioni di eBOSS con gli studi sull'universo nella sua infanzia rivela crepe in questa immagine dell'universo. In particolare, la misurazione del team di eBOSS dell'attuale tasso di espansione dell'universo (la "costante di Hubble") è circa il 10 percento inferiore al valore trovato dalle distanze alle galassie vicine. L'elevata precisione dei dati eBOSS significa che è altamente improbabile che questa discrepanza sia dovuta al caso, e la ricca varietà di dati eBOSS ci offre diversi modi indipendenti per trarre la stessa conclusione.
"Solo con mappe come la nostra puoi dire con certezza che c'è una discrepanza nella costante di Hubble, " dice Eva-Maria Mueller dell'Università di Oxford, che ha condotto l'analisi per interpretare i risultati dell'intero campione SDSS. "Queste mappe più recenti di eBOSS lo mostrano più chiaramente che mai."
Non esiste una spiegazione ampiamente accettata per questa discrepanza nei tassi di espansione misurati, ma un'eccitante possibilità è che una forma di materia o energia precedentemente sconosciuta proveniente dall'universo primordiale possa aver lasciato una traccia nella nostra storia.
In totale, il team di eBOSS ha reso pubblici oggi i risultati di oltre 20 articoli scientifici. Quei documenti descrivono, in più di 500 pagine, le analisi del team degli ultimi dati eBOSS, segnando il completamento degli obiettivi chiave dell'indagine.
All'interno del team eBOSS, singoli gruppi presso le Università di tutto il mondo si sono concentrati su diversi aspetti dell'analisi. Per creare la parte della mappa che risale a sei miliardi di anni fa, la squadra ha usato grandi, galassie rosse. Più lontano, hanno usato più giovane, galassie blu. Finalmente, mappare l'universo undici miliardi di anni nel passato e oltre, usavano quasar, che sono galassie luminose illuminate da materiale che cade su un buco nero supermassiccio centrale. Ciascuno di questi campioni ha richiesto un'attenta analisi al fine di rimuovere i contaminanti, e rivelare i modelli dell'universo.
"Combinando i dati SDSS con dati aggiuntivi dal Cosmic Microwave Background, supernovae, e altri programmi, possiamo misurare simultaneamente molte proprietà fondamentali dell'universo, " dice Mueller. "I dati SDSS coprono una fascia così ampia di tempo cosmico che forniscono i più grandi progressi di qualsiasi sonda per misurare la curvatura geometrica dell'universo, trovandolo piatto. Consentono inoltre di misurare il tasso di espansione locale migliore dell'uno per cento".
eBOSS, e SDSS più in generale, lascia il puzzle dell'energia oscura, e la mancata corrispondenza del tasso di espansione dell'universo locale e primordiale, in eredità a progetti futuri. Nel decennio successivo, sondaggi futuri potrebbero risolvere l'enigma, o forse, rivelerà altre sorprese.
Nel frattempo, con il continuo supporto della Alfred P. Sloan Foundation e dei membri istituzionali, l'SDSS è tutt'altro che finito con la sua missione di mappare l'universo. Karen Master dell'Haverford College, Portavoce per l'attuale fase di SDSS, descrisse la sua eccitazione per la fase successiva. "Lo Sloan Foundation Telescope e il suo quasi gemello all'Osservatorio di Las Campanas continueranno a fare scoperte astronomiche mappando milioni di stelle e buchi neri mentre cambiano ed evolvono nel tempo cosmico". Il team SDSS è impegnato nella costruzione dell'hardware per iniziare questa nuova fase e attende con impazienza le nuove scoperte dei prossimi 20 anni.
