Ora disponiamo di un modello standard di cosmologia, la versione attuale della teoria del Big Bang. Anche se si è rivelato un grande successo, le sue conseguenze sono sconcertanti. Conosciamo solo il 5% del contenuto dell'universo, che è materia normale. Il restante 95% è costituito da due entità esotiche che non sono mai state prodotte in laboratorio e la cui natura fisica è ancora sconosciuta.
Si tratta della materia oscura, che rappresenta il 25% del contenuto del cosmo, e dell'energia oscura, che contribuisce per il 70%. Nel modello standard della cosmologia, l'energia oscura è l'energia dello spazio vuoto e la sua densità rimane costante durante tutta l'evoluzione dell'universo.
Secondo questa teoria, le onde sonore si propagavano nell'universo primordiale. In quelle prime fasi, l’universo aveva una temperatura e una densità enormi. La pressione in questo gas iniziale cercava di allontanare le particelle che lo componevano, mentre la gravità cercava di avvicinarle, e la competizione tra le due forze creava onde sonore che si propagarono dall'inizio dell'universo fino a circa 400.000 anni dopo il Big Bang .
A quel tempo, la radiazione e la materia smisero di interagire e le onde si congelarono, lasciando un'impronta sulla distribuzione spaziale della materia. Questa impronta viene osservata come un piccolo accumulo preferenziale di galassie separate da una distanza caratteristica, chiamata scala delle Oscillazioni Acustiche Barioniche (BAO) dai cosmologi, e corrisponde alla distanza percorsa dalle onde sonore in quei 400.000 anni.
Il Dark Energy Survey (DES) ha appena misurato la scala BAO quando l’universo aveva la metà della sua età attuale con una precisione del 2%, la determinazione più accurata finora in un’epoca così precoce, e la prima volta che una misurazione basata esclusivamente sull’imaging è competitiva con grandi campagne di spettroscopia appositamente progettate per rilevare questo segnale.
La distanza percorsa dall'onda sonora nell'universo primordiale dipende da processi fisici ben noti, quindi può essere determinata con grande precisione, stabilendo un parametro per l'universo. È ciò che i cosmologi chiamano un sovrano standard. In questo caso ha una lunghezza di circa 500 milioni di anni luce.
Osservando l'angolo che questo righello standard sottende nel cielo a diverse distanze (o, in altre parole, in epoche diverse nell'universo), si può determinare la storia dell'espansione cosmica e, con essa, le proprietà fisiche dell'energia oscura. . In particolare, può essere determinato analizzando il fondo cosmico a microonde, la radiazione rilasciata quando si formarono gli atomi, 400.000 anni dopo il Big Bang, che ci offre un'istantanea dell'universo primordiale, come pubblicato dalla collaborazione Planck nel 2018.
Può anche essere determinata nell'universo tardo studiando la scala BAO nelle mappature delle galassie come ha fatto DES. Analizzare la coerenza di entrambe le determinazioni è uno dei test più impegnativi del modello standard della cosmologia.
"È motivo di orgoglio vedere come, dopo quasi vent'anni di impegno continuo, DES produce risultati scientifici della massima rilevanza in cosmologia", afferma Eusebio Sánchez, capo del gruppo di cosmologia del CIEMAT. "È un'eccellente ricompensa per lo sforzo investito nel progetto."
"Quello che abbiamo osservato è che le galassie hanno una maggiore tendenza a separarsi tra loro di un angolo di 2,90 gradi nel cielo rispetto ad altre distanze", commenta Santiago Ávila, ricercatore post-dottorato presso l'IFAE e uno dei coordinatori dell'analisi. "Questo è il segnale! L'onda si vede chiaramente nei dati", aggiunge, riferendosi alla prima cifra. "È una preferenza sottile, ma statisticamente rilevante", dice, "e possiamo determinare il modello delle onde con una precisione del 2%. Per riferimento, la luna piena occupa mezzo grado di diametro nel cielo. Quindi, se fossimo in grado per vedere le galassie ad occhio nudo, la distanza BAO sembrerebbe pari a sei lune piene."
Per misurare la scala BAO, DES ha utilizzato 16 milioni di galassie, distribuite su un ottavo del cielo, che sono state appositamente selezionate per determinare quanto sono lontane con sufficiente precisione.
"È importante selezionare un campione di galassie che ci permetta di misurare la scala BAO nel modo più accurato possibile", afferma Juan Mena, che ha conseguito il dottorato. al CIEMAT su questo studio ed è ora ricercatore post-dottorato presso il Laboratorio di Fisica Subatomica e Cosmologia di Grenoble (Francia). "Il nostro campione è ottimizzato per avere un buon compromesso tra un numero maggiore di galassie e la certezza con cui possiamo determinare la loro distanza."
Le distanze cosmologiche sono così grandi che la luce impiega miliardi di anni per raggiungerci, permettendoci così di osservare il passato cosmico. Il campione di galassie utilizzato in questo studio apre una finestra sull'universo di sette miliardi di anni fa, poco meno della metà della sua età attuale.
"Uno dei compiti più complicati del processo è pulire il campione della galassia dai contaminanti osservati:distinguere tra galassie e stelle o mitigare gli effetti dell'atmosfera sulle immagini", afferma Martín Rodríguez Monroy, ricercatore post-dottorato presso l'IFT di Madrid .
Una scoperta interessante di questo studio è che la dimensione che queste onde occupano nel cielo è del 4% più grande di quanto previsto dalle misurazioni effettuate dal satellite Planck dell'ESA nell'universo primordiale utilizzando la radiazione cosmica di fondo a microonde. Dato il campione di galassie e le incertezze dell’analisi, questa discrepanza ha una probabilità del 5% di essere una semplice fluttuazione statistica. Se così non fosse, potremmo trovarci di fronte a uno dei primi indizi del fatto che l'attuale teoria della cosmologia non è del tutto completa e che la natura fisica dei componenti oscuri è ancora più esotica di quanto si pensasse in precedenza.
"Ad esempio, l'energia oscura potrebbe non essere l'energia del vuoto. La sua densità potrebbe cambiare con l'espansione dell'universo, o addirittura lo spazio potrebbe essere leggermente curvo", afferma Anna Porredon, ricercatrice spagnola dell'Università della Ruhr a Bochum (RUB). in Germania. Questo ricercatore, membro del programma Marie Sklodowska-Curie Actions dell'Unione Europea, è stato uno dei coordinatori di questa analisi.
La scala BAO è stata misurata da altri progetti cosmologici prima del DES in diverse età dell'universo, principalmente il Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) e la sua estensione (eBOSS), che sono stati progettati per questo scopo. Tuttavia, la misurazione DES è la più accurata in un’età così precoce dell’universo, con metà dell’incertezza di eBOSS in quel momento. Il significativo aumento della precisione ha permesso di rivelare l'eventuale discrepanza della scala BAO rispetto al modello standard della cosmologia.
"Per seguire questa pista, il prossimo passo cruciale è combinare queste informazioni con altre tecniche esplorate dal DES per comprendere la natura dell'energia oscura", commenta Hugo Camacho, ricercatore post-dottorato presso il Brookhaven National Laboratory (Stati Uniti), già presso l'Institute of Fisica teorica presso l'Università Statale di San Paolo del Brasile (IFT-UNESP) e membro del Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). "Inoltre, il DES apre la strada anche a una nuova era di scoperte in cosmologia, che sarà seguita da futuri esperimenti con misurazioni ancora più precise."
Come suggerisce il nome, DES è un grande progetto cosmologico concepito appositamente per studiare le proprietà dell'energia oscura. Si tratta di una collaborazione internazionale di oltre 400 scienziati provenienti da sette paesi con sede presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE statunitense, vicino a Chicago. Il progetto è progettato per utilizzare quattro metodi reciprocamente complementari:distanze cosmologiche con supernovae, numero di ammassi di galassie, distribuzione spaziale delle galassie e debole effetto di lente gravitazionale.
Inoltre, questi metodi possono essere combinati per ottenere una maggiore potenza statistica e un migliore controllo delle osservazioni, che dovrebbero essere coerenti. La combinazione dell’effetto di lente gravitazionale con la distribuzione spaziale delle galassie è particolarmente rilevante. Queste analisi mettono alla prova il modello cosmologico in modo molto impegnativo. I risultati che utilizzano metà dei dati DES sono già stati pubblicati con grande successo e le misurazioni finali, che utilizzano l'intero set di dati di oltre 150 milioni di galassie, dovrebbero essere pubblicate entro la fine dell'anno.
"Il DES ci permette di capire per la prima volta se l'espansione accelerata dell'universo, iniziata 6 miliardi di anni fa, è coerente con il nostro attuale modello per l'origine dell'universo", commenta Martin Crocce, che coordina quest'ultima analisi dall'ICE.
Per utilizzare tutte queste tecniche, il DES ha costruito la Dark Energy Camera (DECam) da 570 Megapixel, una delle fotocamere più grandi e sensibili al mondo. È installato sul telescopio Víctor M. Blanco, con uno specchio di 4 metri di diametro, presso l'Osservatorio interamericano di Cerro Tololo in Cile, gestito dal NOIRLab della NSF statunitense.
Il DES ha mappato un ottavo della volta celeste a una profondità senza precedenti. Sono state scattate immagini a 4 colori tra il 2013 e il 2019 ed è attualmente nella fase finale dell'analisi scientifica di queste immagini. Le istituzioni spagnole hanno preso parte al progetto sin dal suo inizio nel 2005 e, oltre ad aver collaborato in modo prominente nella progettazione, produzione, test e installazione di DECam e nell'acquisizione dati, ad oggi hanno importanti responsabilità nella gestione scientifica del DES.
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
