Con 5.000 minuscoli robot in un telescopio in cima a una montagna, i ricercatori possono guardare 11 miliardi di anni nel passato. La luce proveniente da oggetti lontani nello spazio sta proprio ora raggiungendo lo strumento spettroscopico per l'energia oscura (DESI), permettendoci di mappare il nostro cosmo com'era nella sua giovinezza e tracciare la sua crescita fino a ciò che vediamo oggi.
Comprendere come si è evoluto il nostro universo è legato al modo in cui finisce e a uno dei più grandi misteri della fisica:l'energia oscura, l'ingrediente sconosciuto che fa sì che il nostro universo si espanda sempre più velocemente.
Per studiare gli effetti dell’energia oscura negli ultimi 11 miliardi di anni, DESI ha creato la più grande mappa 3D del nostro cosmo mai costruita, con le misurazioni più precise fino ad oggi. Questa è la prima volta che gli scienziati misurano la storia dell'espansione del giovane universo con una precisione migliore dell'1%, dandoci la migliore visione finora disponibile su come si è evoluto l'universo.
I ricercatori hanno condiviso l'analisi del loro primo anno di dati raccolti in diversi articoli che verranno pubblicati oggi su arXiv server di prestampa e in conferenze al convegno dell'American Physical Society negli Stati Uniti e ai Rencontres de Moriond in Italia.
"Siamo incredibilmente orgogliosi dei dati, che hanno prodotto risultati cosmologici leader a livello mondiale e sono i primi a venire fuori dalla nuova generazione di esperimenti sull'energia oscura", ha affermato Michael Levi, direttore del DESI e scienziato presso il Lawrence del Dipartimento di Energia. Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), che gestisce il progetto.
"Finora, stiamo vedendo un accordo di base con il nostro miglior modello dell'universo, ma stiamo anche vedendo alcune differenze potenzialmente interessanti che potrebbero indicare che l'energia oscura si sta evolvendo con il tempo. Queste potrebbero o meno scomparire con più dati, quindi siamo entusiasti di iniziare presto ad analizzare il nostro set di dati triennali."
Il nostro modello principale dell’universo è noto come Lambda CDM. Comprende sia un tipo di materia che interagisce debolmente (materia oscura fredda, o CDM) che energia oscura (Lambda). Sia la materia che l’energia oscura modellano il modo in cui l’universo si espande, ma in modi opposti. La materia e la materia oscura rallentano l’espansione, mentre l’energia oscura la accelera. La quantità di ciascuno influenza il modo in cui si evolve il nostro universo. Questo modello fa un buon lavoro nel descrivere i risultati degli esperimenti precedenti e l'aspetto dell'universo nel tempo.
Tuttavia, quando i risultati del primo anno di DESI vengono combinati con i dati di altri studi, si notano alcune sottili differenze rispetto a quanto previsto da Lambda CDM. Man mano che DESI raccoglierà più informazioni durante il suo sondaggio quinquennale, questi primi risultati diventeranno più precisi, facendo luce sulla possibilità che i dati indichino spiegazioni diverse per i risultati che osserviamo o sulla necessità di aggiornare il nostro modello.
Ulteriori dati miglioreranno anche gli altri primi risultati del DESI, che influiscono sulla costante di Hubble (una misura della velocità con cui l'universo si sta espandendo oggi) e sulla massa delle particelle chiamate neutrini.
"Nessun esperimento spettroscopico ha mai ottenuto così tanti dati prima, e continuiamo a raccogliere dati da più di un milione di galassie ogni mese", ha affermato Nathalie Palanque-Delabrouille, scienziata del Berkeley Lab e co-portavoce dell'esperimento.
"È sorprendente che con solo i dati del nostro primo anno possiamo già misurare la storia dell'espansione del nostro universo in sette diverse porzioni del tempo cosmico, ciascuna con una precisione compresa tra l'1 e il 3%. Il team ha svolto un'enorme quantità di lavoro per tengono conto delle complessità della modellazione strumentale e teorica, il che ci dà fiducia nella robustezza dei nostri primi risultati."
La precisione complessiva del DESI sulla storia dell'espansione in tutti gli 11 miliardi di anni è dello 0,5% e l'epoca più lontana, che copre 8-11 miliardi di anni nel passato, ha una precisione da record dello 0,82%. Questa misurazione del nostro giovane universo è incredibilmente difficile da effettuare.
Eppure, nel giro di un anno, DESI è diventato due volte più potente nel misurare la storia dell'espansione in questi primi tempi rispetto al suo predecessore (BOSS/eBOSS di Sloan Digital Sky Survey), che ha impiegato più di un decennio.
"Siamo lieti di vedere i risultati della cosmologia dal primo anno di attività del DESI", ha affermato Gina Rameika, direttore associato per la fisica delle alte energie presso il DOE. "DESI continua a stupirci con le sue prestazioni stellari e sta già plasmando la nostra comprensione dell'universo."
DESI è una collaborazione internazionale di oltre 900 ricercatori provenienti da oltre 70 istituzioni in tutto il mondo. Lo strumento si trova in cima al telescopio da 4 metri Nicholas U. Mayall della National Science Foundation statunitense presso l'Osservatorio nazionale di Kitt Peak, un programma del NOIRLab della NSF.
Osservando la mappa di DESI, è facile vedere la struttura sottostante dell'universo:filamenti di galassie raggruppate insieme, separate da vuoti con meno oggetti. Il nostro primissimo universo, ben oltre la visione di DESI, era molto diverso:una zuppa calda e densa di particelle subatomiche che si muovevano troppo velocemente per formare materia stabile come gli atomi che conosciamo oggi. Tra queste particelle c'erano nuclei di idrogeno ed elio, collettivamente chiamati barioni.
Piccole fluttuazioni in questo plasma ionizzato primordiale causarono onde di pressione, spostando i barioni in uno schema di increspature simile a quello che vedresti se lanciassi una manciata di ghiaia in uno stagno. Man mano che l'universo si espandeva e si raffreddava, si formarono atomi neutri e le onde di pressione si fermarono, congelando le increspature in tre dimensioni e aumentando il raggruppamento di future galassie nelle aree dense.
Miliardi di anni dopo, possiamo ancora vedere questo debole schema di increspature, o bolle, 3D nella caratteristica separazione delle galassie, una caratteristica chiamata Oscillazioni Acustiche Barioniche (BAO).
I ricercatori utilizzano le misurazioni BAO come righello cosmico. Misurando la dimensione apparente di queste bolle, possono determinare le distanze dalla materia responsabile di questo disegno estremamente debole nel cielo. La mappatura delle bolle BAO sia vicine che lontane consente ai ricercatori di suddividere i dati in blocchi, misurando la velocità con cui l'universo si stava espandendo in ogni momento del suo passato e modellando il modo in cui l'energia oscura influenza tale espansione.
"Abbiamo misurato la storia dell'espansione in questo vasto intervallo di tempo cosmico con una precisione che supera tutte le precedenti indagini BAO messe insieme", ha affermato Hee-Jong Seo, professore all'Università dell'Ohio e co-leader dell'analisi BAO di DESI. "Siamo molto entusiasti di apprendere come queste nuove misurazioni miglioreranno e modificheranno la nostra comprensione del cosmo. Gli esseri umani nutrono un fascino senza tempo per il nostro universo e desiderano sapere sia di cosa è fatto sia cosa gli accadrà."
Usare le galassie per misurare la storia dell’espansione e comprendere meglio l’energia oscura è una tecnica, ma può arrivare solo fino a un certo punto. A un certo punto, la luce proveniente dalle galassie tipiche è troppo debole, quindi i ricercatori si rivolgono ai quasar, nuclei galattici estremamente distanti e luminosi con buchi neri al centro. La luce dei quasar viene assorbita mentre attraversa le nubi intergalattiche di gas, consentendo ai ricercatori di mappare le sacche di materia densa e di usarle nello stesso modo in cui usano le galassie, una tecnica nota come "foresta Lyman-alfa".
"Utilizziamo i quasar come retroilluminazione per vedere sostanzialmente l'ombra del gas che si frappone tra noi e i quasar", ha affermato Andreu Font-Ribera, uno scienziato dell'Istituto di fisica delle alte energie (IFAE) in Spagna e co-direttore del Lyman- analisi della foresta alfa. "Ci permette di guardare oltre, fino a quando l'universo era molto giovane. È una misurazione davvero difficile da fare ed è molto bello vederla avere successo."
I ricercatori hanno utilizzato 450.000 quasar, il set più grande mai raccolto per queste misurazioni della foresta Lyman-alfa, per estendere le loro misurazioni BAO fino a 11 miliardi di anni nel passato. Entro la fine dell'indagine, DESI prevede di mappare 3 milioni di quasar e 37 milioni di galassie.
Scienza all'avanguardia
DESI è il primo esperimento spettroscopico a eseguire un'analisi completamente "in cieco", che nasconde il vero risultato agli scienziati per evitare qualsiasi errore di conferma subconscio. I ricercatori lavorano all’oscuro con dati modificati, scrivendo il codice per analizzare i loro risultati. Una volta finalizzato tutto, applicano la loro analisi ai dati originali per rivelare la risposta effettiva.
"Il modo in cui abbiamo effettuato l'analisi ci dà fiducia nei nostri risultati, e in particolare nel dimostrare che la foresta Lyman-alfa è un potente strumento per misurare l'espansione dell'universo", ha affermato Julien Guy, scienziato del Berkeley Lab e co-responsabile di elaborazione delle informazioni dagli spettrografi del DESI.
"Il set di dati che stiamo raccogliendo è eccezionale, così come lo è la velocità con cui lo stiamo raccogliendo. Questa è la misurazione più precisa che abbia mai effettuato in vita mia."
I dati del DESI verranno utilizzati per integrare le future osservazioni del cielo, come quelle effettuate dall'Osservatorio Vera C. Rubin e dal telescopio spaziale romano Nancy Grace, e per preparare un potenziale aggiornamento al DESI (DESI-II) raccomandato in un recente rapporto dell'agenzia statunitense Particle. Pannello per la definizione delle priorità dei progetti di fisica.
"Siamo nell'era d'oro della cosmologia, con indagini su larga scala in corso e in procinto di essere avviate, e nuove tecniche in fase di sviluppo per utilizzare al meglio questi set di dati", ha affermato Arnaud de Mattia, ricercatore dell'associazione francese Energie Alternative e Commissione per l'energia atomica (CEA) e co-leader del gruppo DESI che interpreta i dati cosmologici.
"Siamo tutti davvero motivati a vedere se i nuovi dati confermeranno le caratteristiche che abbiamo osservato nel nostro campione del primo anno e contribuiranno a comprendere meglio le dinamiche del nostro universo."
Ulteriori informazioni: I documenti DESI Anno 1 sono disponibili sul sito web DESI:https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/
Informazioni sul giornale: arXiv
Fornito dal Lawrence Berkeley National Laboratory
