Gli astrofisici hanno una comprensione abbastanza accurata di come invecchia l'universo:questa è la conclusione dei nuovi risultati del Dark Energy Survey (DES), una vasta collaborazione scientifica internazionale, tra cui ricercatori del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia, che hanno messo i modelli di formazione ed evoluzione della struttura cosmica alla prova più precisa finora.

I ricercatori del sondaggio hanno analizzato la luce di 26 milioni di galassie per studiare come sono cambiate le strutture dell'universo negli ultimi 7 miliardi di anni, la metà dell'età dell'universo. I dati sono stati presi con la DECam, una fotocamera da 570 megapixel collegata al telescopio Victor M. Blanco di 4 metri presso l'Osservatorio interamericano di Cerro Tololo in Cile.

In precedenza, il test più preciso dei modelli cosmologici è venuto dalle misurazioni con il satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea di quello che è noto come fondo cosmico a microonde (CMB) - un debole bagliore nel cielo emesso 380, 000 anni dopo il Big Bang.

"Mentre Planck osservava la struttura dell'universo primitivo, DES ha misurato strutture che si sono evolute molto più tardi, " ha detto Daniel Gruen, un borsista postdottorato della NASA Einstein presso il Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un istituto congiunto della Stanford University e SLAC. "La crescita di queste strutture dalle prime ere dell'universo fino ad oggi concorda con quanto prevedono i nostri modelli, dimostrando che possiamo descrivere molto bene l'evoluzione cosmica."

Gruen presenterà i risultati, che si basano sui dati del primo anno dell'indagine quinquennale, oggi alla riunione 2017 Division of Particles and Fields dell'American Physical Society presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE.

La docente del KIPAC Risa Wechsler, un membro fondatore di DES, disse, "Per la prima volta, la precisione dei parametri cosmologici chiave che emergono da un'indagine galattica è paragonabile a quella derivata dalle misurazioni del fondo cosmico a microonde. Ciò ci consente di testare i nostri modelli in modo indipendente e di combinare entrambi gli approcci per ottenere i valori dei parametri con una precisione senza precedenti".

La più grande mappa della distribuzione di massa

Il modello standard della cosmologia, chiamato Lambda-CDM, comprende due ingredienti fondamentali. Materia oscura fredda (CDM), una forma invisibile di materia che è cinque volte più diffusa della materia normale, si raggruppa ed è al centro della formazione di strutture come galassie e ammassi di galassie. Lambda, la costante cosmologica, descrive l'espansione accelerata dell'universo, guidato da una forza sconosciuta denominata energia oscura.

Gli astrofisici hanno bisogno di test precisi del modello perché i suoi ingredienti non sono completamente certi. La materia oscura non è mai stata rilevata direttamente. L'energia oscura è ancora più misteriosa, e non si sa se effettivamente sia una costante o cambi nel tempo.

DES è ora riuscito a eseguire un test di tale precisione. Gli scienziati hanno sfruttato il fatto che le immagini delle galassie lontane vengono leggermente distorte dalla gravità delle galassie in primo piano, un effetto noto come lente gravitazionale debole. Questa analisi ha portato alla più grande mappa mai costruita per la distribuzione della massa - sia regolare che della materia oscura - nell'universo, così come la sua evoluzione nel tempo.

"Entro una barra di errore inferiore al 5%, i risultati combinati di Planck e DES sono coerenti con Lambda-CDM, " Wechsler ha detto. "Questo significa anche che, finora, non abbiamo bisogno di nient'altro che una forma costante di energia oscura per descrivere la storia dell'espansione dell'universo."

Contributi chiave di KIPAC

Oltre a Gruen, che ha guidato il gruppo di lavoro sull'obiettivo debole, e Wechsler, il cui gruppo ha fornito simulazioni realistiche dell'indagine fondamentale per testare diversi aspetti dell'analisi cosmologica, un gran numero di scienziati KIPAC, borsisti post-dottorato, studenti laureati ed ex studenti hanno dato un contributo cruciale al DES, dalla costruzione dello strumento allo sviluppo di teorie e simulazioni e all'analisi dei dati.

La borsista post-dottorato Elisabeth Krause, Per esempio, guida il gruppo di lavoro sulla teoria DES e sulle sonde combinate. In quel ruolo, ha guidato la carica nello sviluppo di modelli teorici che corrispondono alla precisione sperimentale ottenuta con i dati DES. Ciò ha comportato la scrittura di codici per computer che calcolano come dovrebbe apparire la lente gravitazionale debole per un dato modello.

"Persone diverse sviluppano codici leggermente diversi che hanno lo scopo di fare la stessa cosa, " ha detto. "Ho aiutato a riunire gli sviluppatori di codice per un controllo incrociato dei loro risultati e per assicurarci di ottenere i codici teorici più precisi possibili".

Un'altra chiave per la creazione della mappa della distribuzione di massa è stata determinare con precisione le distanze dalle galassie osservate - informazioni che di solito derivano da rilievi indipendenti che analizzano le proprietà della luce proveniente da quegli oggetti o dalle stelle che esplodono.

"Abbiamo dimostrato che possiamo usare il colore di alcune galassie rosse - il rosso è il colore che avrebbero se tu fossi proprio di fronte a loro - per determinare quanto sono lontane, " ha affermato lo scienziato dello staff dello SLAC Eli Rykoff, che ha avuto un ruolo di primo piano in questa parte dell'analisi. "Si scopre che se mappiamo dove si trovano queste galassie rosse nel cielo, possiamo usarli per calibrare le distanze delle lenti e delle galassie di sfondo utilizzate nello studio".

Verso intuizioni cosmiche ancora più profonde

Nel futuro prossimo, più dati DES consentiranno agli astrofisici di testare i loro modelli cosmologici con ancora più precisione. L'analisi dei dati raccolti durante i primi tre anni dell'indagine inizierà presto, e presto anche il quinto anno di osservazioni.

Con dati ancora migliori, i ricercatori hanno detto, potremmo scoprire se il modello Lambda-CDM relativamente semplice deve essere modificato.

"I metodi sviluppati per DES e l'esperienza che i suoi ricercatori stanno acquisendo lungo la strada andranno anche a beneficio del flusso naturale di esperimenti in continua evoluzione, " ha detto il membro della facoltà KIPAC David Burke, capo del gruppo DES di SLAC.

Entrambi prepareranno gli scienziati per futuri sondaggi, compresi quelli con il Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Con la sua fotocamera da 3,2 gigapixel, che è in costruzione presso SLAC, gli astrofisici potranno esplorare le profondità del nostro universo come mai prima d'ora.