Otto deboli oggetti nelle vicinanze della Via Lattea

Gli scienziati che lavorano al programma scientifico Dark Energy Survey (DES), che utilizza la più potente camera digitale del mondo (Dark Energy Camera, DEC), hanno scoperto ben 8 oggetti celesti molto deboli che si trovano nelle vicinanze della Via Lattea. I dati suggeriscono che si tratta molto probabilmente di galassie nane satelliti, le strutture stellari più piccole e più vicine che conosciamo, così come era stato trovato dallo stesso gruppo di ricercatori agli inizi di quest’anno. I risultati sono riportati su Astrophysical Journal.
Le galassie satelliti sono oggetti celesti di piccole dimensioni che orbitano attorno a galassie più grandi. Le galassie nane possono avere qualche migliaio di stelle, rispetto alle galassie di dimensioni medie, come la Via Lattea, che possono invece contenere fino a qualche centinaio di miliardi di stelle. Secondo gli attuali modelli, le galassie più grandi si formano dall’aggregazione di galassie più piccole che si ritiene siano ricche di materia oscura, quella enigmatica forma di materia che rappresenta il 25 percento del contenuto materia-energia dell’Universo. Dunque, le galassie nane satelliti sono considerate la “chiave” per comprendere la materia oscura e il processo per mezzo del quale si formano le galassie maggiori.
L’obiettivo principale della DES, così come suggerisce il suo nome, è quello di ricavare informazioni sulla natura dell’energia oscura, l’altra enigmatica e maggiore componente dell’Universo che costituisce il 70 percento circa del contenuto materia-energia. Gli scienziati ritengono che l’energia oscura sia responsabile dell’espansione cosmica accelerata. Il programma scientifico DES consiste nel realizzare una serie di immagini di centinaia di milioni di galassie distanti. Ad ogni modo, in alcune immagini si possono osservare le stelle presenti nelle galassie nane che sono più vicine alla nostra galassia. Perciò, gli stessi dati possono essere utilizzati per studiare da un lato l’energia oscura, che sta facendo allontanare le galassie creando spazi sempre più vuoti, e dall’altro la materia oscura, che rappresenta una sorta di “scheletro” su cui si appoggiano le strutture cosmiche.
Le galassie nane più deboli possono essere osservate solamente quando esse sono vicine e, di fatto, ne sono state già identificate alcune di esse. L’idea è che se questi nuovi oggetti sono rappresentativi dell’intero cielo, ce ne potrebbero essere molti altri nel nostro “vicinato cosmico”. «Proprio quest’anno, sono state individuate più di una ventina di galassie nane satelliti candidate, 17 delle quali sono state trovate dalla survey DES», spiega Alex Drlica-Wagner del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) presso il Department of Energy’s (DOE) degli Stati Uniti, uno dei responsabili dell’analisi dei dati del programma scientifico DES e autore principale dello studio. «Abbiamo quasi raddoppiato il numero di questi oggetti in appena un anno, il che è notevole».
Lo scorso mese di Marzo, i ricercatori della DES e un gruppo indipendente dell’University of Cambridge annunciarono la scoperta di 9 galassie nane presenti nelle immagini ottenute con la Dark Energy Camera, la straordinaria camera digitale che rappresenta il cuore stesso della DES (vedasi l’articolo I nuovi vicini della Via Lattea). Due di queste sono state poi confermate come galassie nane satelliti. Prima del 2015, gli astronomi avevano individuato solo due dozzine di tali galassie distribuite attorno alla Via Lattea. «DES ci sta permettendo di trovare oggetti così deboli che sarebbero stati molto difficili da individuare con le osservazioni precedenti», dice Keith Bechtol della University of Wisconsin-Madison e co-autore dello studio. «La scoperta di così tante galassie-candidate in una regione pari ad 1/8 di cielo potrebbe voler dire che ce ne sono molte altre in orbita attorno alla nostra galassia».
Tra gli 8 oggetti che sono stati identificati, l’oggetto più vicino si trova a circa 80.000 anni luce mentre quello più distante è situato approssimativamente a 700.000 anni luce. Questi oggetti sono, mediamente, un miliardo di volte più deboli della Via Lattea e un milione di volte meno massivi. Un dato curioso: si stima che la galassia nana più debole abbia appena 500 stelle. Inoltre, la maggior parte di essi sono distribuiti nella regione meridionale dell’area coperta dalla DES, in prossimità della Grande e Piccola Nube di Magellano, le due galassie satelliti maggiori della Via Lattea che si trovano, rispettivamente, a 158.000 anni luce e a 208.000 anni luce. È possibile che questi oggetti siano galassie satelliti delle Nubi di Magellano, il che sarebbe di per sé una scoperta. «Se fosse così, sarebbe un risultato affascinante», dice Risa Wechsler dello SLAC National Accelerator Laboratory e uno dei membro di DES. «L’esistenza di galassie satelliti di altrettante galassie satelliti è predetta dai nostri modelli della materia oscura. Forse le stiamo osservando per la prima volta oppure c’è qualcosa che non comprendiamo sulla loro distribuzione spaziale».
Ora, poiché si ritiene che le galassie nane siano costituite principalmente di materia oscura, e da pochissime stelle, esse possono essere considerate un banco di prova ideale per studiare le proprietà della materia oscura. Ulteriori analisi potranno confermare se questi nuovi oggetti siano davvero galassie nane satelliti e se si potranno rivelare eventuali “impronte digitali” riconducibili alla materia oscura. «Questa scoperta molto eccitante è il frutto di un’intensa collaborazione da parte dell’intero team che lavora al progetto DES», aggiunge Basilio Santiago, coordinatore del DES Milky Way Science Working Group e membro del consorzio brasiliano che partecipa al programma di ricerca. «Abbiamo appena iniziato la nostra esplorazione del cosmo e siamo alla ricerca di altre nuove e più eccitanti scoperte negli anni a venire».

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Le 17 galassie nane satelliti candidate sono state individuate nei primi due anni della missione scientifica DES, che sarà ancora operativa per altri 3 anni allo scopo di mappare con dettagli senza precedenti una determinata porzione del cielo sud. Gli scienziati stanno ora esaminando gran parte dell’area coperta dalla survey ma i dati che saranno raccolti nei prossimi tre anni permetteranno di trovare, almeno così si spera, oggetti ancora più deboli, più diffusi o più distanti. La terza stagione della missione DES è appena cominciata.  La mappa mostra la posizione delle 8 nuove galassie nane candidate (triangoli rossi) assieme alle 9 precedenti galassie nane candidate (cerchi rossi) nell’area della survey DES, 5 altri oggetti recentemente identificati al di fuori dell’area DES (rombi verdi) e 27 galassie nane satelliti della Via Lattea note prima del 2015 (quadrati blu). Quei sistemi che sono stati confermati come galassie satelliti sono stati nominati singolarmente. Crediti: A. Drlica-Wagner et al. 2015.

di Corrado Ruscica (INAF)

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Le nuove mappe di materia oscura

Ricercatori del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), dell’University of Tokyo e di altri istituti hanno iniziato una survey del cielo per studiare la distribuzione della materia oscura utilizzando la Hyper Suprime-Cam, una nuova camera a largo campo installata presso il telescopio Subaru situato nelle Hawaii. I primi risultati delle osservazioni, che coprono un’area di 2,3 gradi quadrati verso la costellazione del Cancro, hanno rivelato ben 9 concentrazioni di materia oscura, ognuna avente una massa tipica di un ammasso di galassie. Analizzare come è distribuita spazialmente la materia oscura e come essa varia nel tempo è essenziale per comprendere il ruolo dell’energia oscura che controlla l’espansione dell’Universo. Inoltre, questi dati dimostrano il fatto che ora gli astronomi possiedono la tecnologia e gli strumenti più consoni per studiare l’energia oscura. Il passo successivo sarà quello di ampliare la survey per coprire almeno un migliaio di gradi quadrati di cielo in modo da ricavare ulteriori dati allo scopo di svelare il mistero dell’energia oscura e, quindi, dell’espansione cosmica. Mappare la distribuzione spaziale della materia oscura su vaste regioni di cielo è di fondamentale importanza per capire ancora più in dettaglio le proprietà dell’energia oscura, quella enigmatica componente che sta determinando l’espansione accelerata dell’Universo. Di fatto, questi risultati preliminari stanno dimostrando che con le attuali tecniche di ricerca e con la Hyper Suprime-Cam è possible esplorare la distribuzione spaziale della materia oscura e come essa è evoluta nel corso del tempo, svelare il mistero dell’energia oscura e quindi monitorare la storia dell’espansione cosmica con dettagli senza precedenti. Dal 1929, quando Edwin Hubble scoprì l’espansione dell’Universo, gli astronomi hanno iniziato ad utilizzare un modello cosmologico che indicava un tasso di espansione dello spazio in rallentamento nel corso del tempo. Sappiamo che la gravità, fino a qualche tempo fa considerata l’unica forza nota che agisce tra le galassie, si oppone all’espansione. Ma negli anni ’90, le osservazioni delle supernovae Ia distanti mostrarono che l’Universo si espande più rapidamente oggi rispetto al passato. Questa scoperta richiedeva l’introduzione di un nuovo concetto fisico: o c’è qualche forma di “energia oscura” di natura repulsiva, che tende a far allontanare le galassie, oppure la fisica della gravità richiede qualche revisione a livello più fondamentale. Dunque per svelare il mistero dell’espansione accelerata, è importante analizzare la relazione tra il tasso di espansione dell’Universo e quello a cui si formano gli oggetti astrofisici. Ad esempio, se l’Universo si espande rapidamente, occorrerà più tempo alla materia per collassare e formare le galassie. Al contrario, se l’Universo si espande più lentamente, le strutture cosmiche si formeranno più facilmente. In effetti, esiste una relazione diretta tra la storia della formazione delle strutture e la storia dell’espansione cosmica. Il problema è che la maggior parte della materia presente nell’Universo è davvero “oscura”, non emette luce e perciò non può essere rivelata direttamente dai telescopi. Una tecnica che permette di superare questa problematica si basa sull’effetto “debole” della lente gravitazionale o “weak lensing”. Una concentrazione di materia oscura agisce come una sorta di “lente cosmica” che devia i raggi luminosi provenienti dagli oggetti più distanti. Ora, osservando la deformazione degli oggetti distanti causata dall’effetto della lente gravitazionale, è possibile determinare la distribuzione spaziale della materia oscura interposta lungo la linea di vista. Questa analisi degli effetti prodotti dalla materia oscura permette ai ricercatori di determinare come si è addensata nel corso del tempo. Il processo di aggregazione della materia oscura può essere correlato con la storia dell’espansione cosmica e potrebbe rivelarci alcune proprietà fisiche dell’energia oscura, la sua forza ed evoluzione nel corso del tempo. Per ottenere una quantità sufficiente di dati, gli astronomi devono osservare galassie che si trovano almeno a più di un miliardo di anni luce e che sono distribuite spazialmente in un’area di cielo più grande di un migliaio di gradi quadrati (circa 1/40 dell’intera volta celeste). La combinazione realizzata mettendo insieme il telescopio Subaru, con il suo diametro di apertura di 8,2 metri, e la Suprime-Cam, la camera precedente rispetto a quella nuova, che ha un campo di vista pari a 1/10 di grado quadrato (circa le dimensioni sottese dalla Luna piena), ha rappresentato uno dei successi tecnologici più significativi nel campo della ricerca di oggetti deboli e distanti. Ad ogni modo, anche nel caso di questa potente combinazione strumentale, esplorare un migliaio di gradi quadrati di cielo ad una determinata profondità non è molto realistico. «Questa è la ragione per cui abbiamo trascorso dieci anni per sviluppare la Hyper Suprime-Cam, che ha una qualità d’immagine superiore alla Suprime-Cam e un campo di vista oltre sette volte più grande», spiega Satoshi Miyazaki del National Astronomical Observatory of Japan’s Advanced Technology Center, investigatore principale del gruppo di ricerca e autore principale dello studio pubblicato su Astrophysical Journal. La Hyper Suprime-Cam è stata installata al telescopio Subaru nel 2012. Dopo i primi test, a partire da Marzo 2014 è stata resa di pubblico accesso alla comunità astronomica. Attualmente, è in corso un programma di osservazione “strategico”, costituito da più di 300 notti di osservazione pianificate in un periodo di 5 anni. La camera, dotata di 870 milioni di pixel, fornisce immagini che coprono un’area di cielo paragonabile a quella sottesa da 9 lune piene per una singola esposizione, con una distorsione estremamente minima e con una risoluzione di 7/1000 di grado (0,5 secondi d’arco). I ricercatori hanno analizzato i dati preliminari forniti dalla Hyper Suprime-Cam per verificare il suo potere esplorativo nel mappare la distribuzione della materia oscura con la tecnica del “weak lensing”. I dati raccolti da un’area di cielo che copre 2,3 gradi quadrati, considerando una esposizione di circa due ore, hanno fornito una serie di immagini nitide di numerose galassie. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di costruire una mappa della distribuzione spaziale di materia oscura. I risultati delle osservazioni hanno portato alla scoperta di ben nove regioni dove la densità della materia oscura risulta elevata. Inoltre, per ciascuna di queste nove regioni si stima una massa equivalente tipica di un ammasso di galassie. L’attendibilità della tecnica del “weak lensing”, e quindi delle mappe risultanti della distribuzione della materia oscura, sono state confermate anche dalle osservazioni realizzate con altri telescopi che mostrano veri e propri ammassi di galassie in corrispondenza delle nove regioni a densità elevata identificate dalla Hyper Suprime-Cam. Per l’identificazione ottica degli ammassi, gli astronomi hanno utilizzato l’archivio Deep Lens Survey. Il numero degli ammassi di galassie trovati dalla Hyper Suprime-Cam supera quello derivato dalle previsioni degli attuali modelli che descrivono la storia cosmica primordiale dell’Universo. Quindi, man mano che la mappa sarà estesa fino a coprire almeno un migliaio di gradi quadrati, i dati dovrebbero rivelare se questo eccesso sia davvero reale o se invece si tratta di un artefatto strumentale. Se l’eccesso sarà confermato attendibile, la conclusione potrebbe essere che nel passato non c’è stata così tanta energia oscura come ci si aspetta, il che ha permesso all’Universo di espandersi dolcemente e alle stelle e alle galassie di formarsi rapidamente. Insomma, utilizzare la tecnica del “weak lensing” per mappare la distribuzione della materia oscura è anche un modo per scoprire oggetti astronomici utilizzando la loro massa, sapere che esiste “qualcosa” e quanto pesa allo stesso tempo. Essa fornisce una misura diretta della massa che non è possibile ricavare con altri metodi. Perciò, le mappe che permettono di misurare la massa della distribuzione della materia oscura rappresentano uno strumento essenziale per comprendere in maniera più precisa e dettagliata la storia dell’espansione dell’Universo.
di Corrado Ruscica (INAF)

L’espansione cosmica verso il Big Rip

L’Universo potrebbe essere un luogo alquanto “viscoso”, ma quanto viscoso è un problema dibattuto. Questo perché per decenni i cosmologi hanno affrontato una serie di difficoltà al fine di conciliare la classica nozione di viscosità basata sulle leggi della termodinamica con la teoria della relatività generale. Oggi, però, tre fisici della Vanderbilt University hanno introdotto una nuova formulazione matematica del problema che sembra ridurre questo divario. I risultati, pubblicati su Physical Review D, hanno delle implicazioni importanti per il destino ultimo dell’Universo in quanto tendono a favorire uno degli scenari cosmologici più radicali: stiamo parlando del “Big Rip“. Non solo, ma questo studio potrebbe far luce anche sul mistero dell’energia oscura. L’idea di approcciarsi a questo problema è stata sviluppata dal matematico Marcelo Disconzi in collaborazione con due colleghi fisici Thomas Kephart e Robert Scherrer. “Marcelo ha introdotto una formulazione matematica più semplice ed elegante, consistente con tutte le leggi della fisica”, dice Scherrer. Il tipo di viscosità di cui stiamo parlando, e che ha rilevanza cosmologica, è diverso da quello a noi più familiare ed è chiamato “viscosità di taglio” (si pensi al ketchup), una misura della resistenza di un fluido ad attraversare piccole aperture, come il collo di una bottiglia. Nel nostro caso, invece, si tratta di una forma di viscosità dilatazionale, che rappresenta il grado di resistenza di un fluido ad una espansione o contrazione. Il fatto che spesso non abbiamo a che fare con questo tipo di viscosità nella vita di tutti i giorni è dovuto al fatto che la maggior parte dei liquidi non possono essere troppo compressi o espansi. Disconzi ha iniziato ad affrontare il problema dei fluidi relativistici. Gli oggetti astrofisici che producono questo fenomeno sono tipicamente le esplosioni stellari (supernovae) e le stelle di neutroni (oggetti super densi e compatti che possono avere le dimensioni tipiche di un pianeta). Gli scienziati hanno ottenuto notevoli successi nel descrivere la dinamica di un fluido ideale, dove non c’è viscosità, quando viene accelerato fino a raggiungere velocità prossime a quella della luce. Ma in natura, quasi tutti i fluidi sono viscosi e, nonostante anni di sforzi teorici, nessuno ha affrontato il problema di trattare la dinamica dei fluidi viscosi quando si ha a che fare con velocità relativistiche. Nel passato, i modelli formulati per predire ciò che accade quando fluidi più realistici vengono accelerati fino a raggiungere qualche frazione della velocità della luce hanno dato una serie di incoerenze: ad esempio, quella più evidente riguarda la predizione che in certe condizioni questi fluidi potrebbero propagarsi addirittura con velocità superiori a quella della luce. «Ciò è assolutamente sbagliato», afferma Disconzi, «dato che è ben provato sperimentalmente che nulla può viaggiare più veloce della luce». Dunque, queste problematiche hanno ispirato lo scienziato a riformulare le equazioni della dinamica dei fluidi relativistici in modo che non si abbiano delle falle che portino a risultati in contrasto con la teoria della relatività speciale. Per far questo, Disconzi è partito dall’ipotesi avanzata negli anni ’50 dal matematico francese André Lichnerowicz e poi ha chiesto la collaborazione dei colleghi Kephart e Scherrer per applicare le sue equazioni ad una teoria cosmologica più generale. Ciò ha permesso di ottenere tutta una serie di risultati interessanti, tra cui alcuni nuovi, potenziali indizi sulla misteriosa energia oscura. Negli anni ’90, la comunità dei fisici rimase scioccata quando le misure astronomiche delle supernovae Ia più distanti mostrarono che l’Universo si sta espandendo ad un ritmo accelerato. Per spiegare questo fenomeno inaspettato, gli scienziati furono costretti ad ipotizzare l’esistenza di una forma sconosciuta di energia repulsiva che permea tutto lo spazio. Data la nostra ignoranza sulla sua natura, ad essa venne attribuito il termine “energia oscura”, in analogia con la “materia oscura” l’altro grande mistero della fisica moderna. Finora, le principali teorie sull’energia oscura non hanno preso in considerazione il problema della “viscosità cosmica”, nonostante il fatto che essa abbia un effetto repulsivo sorprendentemente simile a quello creato dall’energia oscura. «È possibile, anche se non è molto probabile, che la presenza di viscosità possa tener conto di tutti gli effetti dell’accelerazione attribuiti all’energia oscura», dice Disconzi. «È molto più probabile che una frazione significativa dell’effetto dell’accelerazione dello spazio possa essere dovuto ad una causa più diretta. In altre parole, la stessa viscosità potrebbe rappresentare un vincolo importante alle proprietà dell’energia oscura».

Un altro risultato interessante riguarda il destino ultimo dell’Universo. Dalla scoperta dell’espansione accelerata, i cosmologi hanno ipotizzato un certo numero di scenari per tentare di descrivere l’evoluzione futura dell’espansione cosmica. Uno di questi, chiamato “Big Freeze” (il grande gelo), predice che dopo circa 100 mila miliardi di anni l’Universo sarà diventato talmente grande che i rifornimenti di gas necessari per formare le stelle si saranno esauriti da molto tempo. Le stelle si spegneranno gradualmente, lasciandosi dietro solo buchi neri che, a loro volta, evaporeranno lentamente man mano che lo spazio diventerà sempre più freddo. Ma uno scenario ancora più drammatico è detto “Big Rip” (il grande strappo). Esso si basa sugli effetti dovuti all’energia oscura che diventa sempre più importante nel corso del tempo. In questo caso, il tasso di espansione dell’Universo diventerà così elevato che dopo poco più di 20 miliardi di anni tutta la materia inizierà a disgregarsi e, a loro volta, anche gli atomi si separeranno nei loro costituenti fondamentali lasciandosi dietro solo particelle elementari e radiazione. La chiave fondamentale che entra in gioco in quest’ultimo scenario è il rapporto tra la pressione e la densità dell’energia oscura, cioè il parametro della sua equazione di stato. Se questo valore diventa minore di -1 allora l’Universo finirà per disgregarsi completamente. Gli scienziati hanno definito questo parametro come una sorta di “barriera fantasma”, ossia un limite che nei precedenti modelli con viscosità non può essere oltrepassato. Ad ogni modo, nella formulazione di Desconzi-Kephart-Scherrer questo limite non esiste. Invece, questa barriera fornisce al parametro dell’equazione di stato un modo naturale di assumere valori minori di -1. «Nei precedenti modelli cosmologici con viscosità, il Big Rip non era possibile», aggiunge Scherrer. «Ma nel nostro modello, è proprio la viscosità che guida l’evoluzione dell’Universo verso uno stato finale estremo». Insomma, secondo gli autori, i risultati di questa nuova formulazione matematica nel caso di viscosità relativistiche sono molto promettenti anche se occorrerà uno studio più approfondito per verificare o meno la loro veridicità. L’unico modo di fare questo sarà quello di utilizzare calcolatori potenti per analizzare numericamente equazioni complesse. In questo modo, gli scienziati saranno in grado di fare delle previsioni che potranno essere confrontate con gli esperimenti ed eventualmente le osservazioni.
di Corrado Ruscica (INAF)

L’Universo si espande oscillando

Secondo due fisici dell’University of Southern Mississippi, Lawrence Mead e Harry Ringermacher  il nostro Universo non solo si sta espandendo ma allo stesso tempo starebbe oscillando. I risultati di questo studio, pubblicati su Astronomical Journal, suggeriscono che l’Universo sia passato da una fase di espansione rallentata ad una fase di espansione accelerata non una volta bensì 7 volte nel corso di 13,8 miliardi di anni. Naturalmente si tratta di una conclusione che secondo gli stessi autori dovrà essere provata o smentita raccogliendo ulteriori dati osservativi in particolare dalle supernovae distanti. Tutti abbiamo sentito parlare della “teoria del Big Bang”. Esiste persino un’importante serie televisiva che ha come titolo questa teoria. Secondo questa “teoria”, la storia dell’Universo inizia circa 13-14 miliardi di anni fa quando un evento singolare, il Big Bang, generò lo spazio, il tempo, la materia e l’energia nella forma di tutto ciò che osserviamo oggi come particelle, pianeti, stelle e galassie, inclusa la vita stessa. Il Big Bang indica quel particolare istante che i cosmologi identificano per descrivere l’evento iniziale da cui ha avuto origine l’Universo, una sorta di gigantesca “esplosione dello spazio”, e non nello spazio, un evento singolare che rimane ancora un mistero e dove le leggi della fisica vengono meno. Anche se il Big Bang viene accettato oggi come il quadro teorico più adeguato per descrivere con buona approssimazione l’evoluzione dell’Universo, tuttavia questo modello non permette di spiegare in maniera definitiva né l’origine dell’Universo né cosa c’era eventualmente prima. Infatti, le leggi della fisica, così come noi le conosciamo, non sono in grado di descrivere esattamente la storia dell’Universo ma ci permettono di avvicinarci al momento iniziale e di comprendere la realtà fisica solo attraverso una serie di eleganti approssimazioni. Una volta originatosi, l’Universo si espanse fino a raggiungere le dimensioni attuali, nonostante la gravità dovuta a tutta la materia (materia visibile e materia oscura) tenderebbe a rallentare l’espansione, almeno così si pensava qualche tempo fa. Intanto, nel 1978, Arno Allan Penzias e Robert Woodrow Wilson ricevettero il Premio Nobel per la Fisica per la loro importante scoperta della radiazione cosmica di fondo, cioè la radiazione primordiale o la “eco” della grande esplosione iniziale, che essi rivelarono per caso nel 1964 e che rappresenta una chiara evidenza a favore del modello del Big Bang. Nel frattempo, l’acquisizione di una quantità enorme di dati astronomici, grazie soprattutto al progresso tecnologico che ha fornito strumenti sempre più sofisticati, ha permesso di verificare il modello cosmologico con una straordinaria accuratezza. «Poi nel 1998, un’altra fondamentale scoperta dell’espansione accelerata dell’Universo divenne un risultato scioccante quando venne confermata indipendentemente da due gruppi di ricercatori», spiega Mead. «Una nuova forma di energia, detta energia oscura, di natura repulsiva, si ritiene sia responsabile dell’espansione accelerata. Nel 2011, i due gruppi, guidati da Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt vinsero il Premio Nobel per la Fisica». Si ritiene che il passaggio dalla fase di espansione rallentata alla fase di espansione accelerata, cioè il periodo in cui è avvenuta la transizione, risalga approssimativamente a 6 o 7 miliardi di anni fa.

bigbang_expansion_Fig1

Nella figura 1 è mostrato un diagramma realizzato dalla NASA che rappresenta l’evoluzione dell’Universo. Sono illustrati gli eventi principali dall’inizio del tempo fino ad oggi, così come viene descritto dall’attuale modello cosmologico “standard” o “ΛCDM” (Lambda Cold Dark Matter) dove la lettera greca Λ sta ad indicare la famosa costante cosmologica di Einstein, responsabile dell’espansione accelerata dello spazio. La forma a “campana” visualizza l’espansione dello spazio. Il momento della transizione è dato dal punto in cui la forma a campana si apre, dall’interno verso l’esterno, proseguendo da sinistra a destra. «Ciò che abbiamo trovato suggerisce che l’Universo sia passato da una fase di espansione rallentata ad una fase di espansione accelerata non una volta bensì 7 volte nel corso di 13,8 miliardi di anni», dice Mead. «Queste oscillazioni sono equivalenti a un ‘suono’ che si sta ormai esaurendo e ora è molto debole, un po’ come quando viene emesso un suono smorzato di un cristallo di vetro quando viene colpito».

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La figura 2 mostra i risultati di questo studio sovrapposti al modello ΛCDM della figura 1. L’ampiezza dell’oscillazione è stata esagerata ma la sua frequenza è indicativamente corretta. Ringermacher e Mead hanno trovato che tale oscillazione non è esattamente un’onda che si propaga attraverso l’Universo, come ad esempio può essere un’onda gravitazionale, piuttosto è essa stessa “l’onda dell’Universo”. «La scoperta è stata fatta per caso quando, grazie ad una collaborazione con altri colleghi che studiano i modelli di materia oscura relativi alla formazione galattica, essi trovarono un nuovo modo di disegnare un grafico, così come viene riportato nei libri di testo, che descrive la variazione delle dimensioni dell’Universo in funzione della sua età e che non dipende dalla scelta a priori dei modelli dell’Universo, come era stato fatto in maniera tradizionale», aggiunge Ringermacher. «Il grafico espresso in termini della variazione delle dimensioni dello spazio in funzione del tempo, cioè il diagramma di Hubble, è stato costruito determinando la distanza delle supernovae di tipo Ia che servono come ‘candele standard’ per misurare le distanze cosmologiche e quindi l’espansione dell’Universo», dice Ringermacher. «Se analizziamo più attentamente la nostra simulazione per localizzare il periodo della transizione, si vede che ce ne stato più di uno, cioè si notano almeno tre massimi e tre minimi, con una frequenza di quasi 7 cicli nel corso della vita dell’Universo. In altre parole, è lo spazio stesso che ha accelerato la sua espansione seguita da una fase di espansione rallentata per ben 7 volte da quando si è originato».

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Mead e Ringermacher concludono affermando che questi risultati dovranno certamente essere verificati da ulteriori studi indipendenti, meglio se provengono da nuove osservazioni di supernovae distanti, per confermare o meno la loro veridicità. Figura 1. Grafico che illustra l’evoluzione del cosmo secondo il modello del Big Bang. Credit: NASA; Figura 2. L’Universo ‘oscilla’ mentre si espande. I risultati di questo studio sono sovrapposti al modello ΛCDM della figura 1. Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead 2015; Il grafico illustra il diagramma di Hubble che descrive l’andamento del fattore scala a(t) in funzione del tempo per le supernovae distanti. In basso sono mostrate le derivate del fattore scala e il best-fit (linea blu) che evidenzia le oscillazioni. Si notano tre massimi (a t= 0.87, 0.71 e 0.56) e tre minimi (a t=0.78, 0.63 e 0.47). Credit: H. I. Ringermacher e L. R. Mead, 2015.
di Corrado Ruscica (INAF)

Mappatura precisa della materia oscura

Gli scienziati della Dark Energy Survey hanno reso pubblico il primo di una serie di documenti con mappatura dettagliata della materia oscura nell’universo conosciuto. Queste mappe, realizzate con una delle più potenti macchine fotografiche digitali al mondo, costituiscono il più importante progetto di mappatura contigua, con un livello di dettaglio che promette di migliorare significativamente la nostra comprensione del processo di formazione galattica e il ruolo che la materia oscura ricopre. L’analisi della distribuzione e delle caratteristiche della materia oscura (di cui spesso abbiamo scritto per Media INAF) in pianta consentirà peraltro agli scienziati di sondare la natura misteriosa della cosiddetta energia oscura, che si ritiene possa essere causa dell’espansione dell’universo e della sua accelerazione. La Dark Energy Camera, primo fra gli strumenti della Dark Energy Survey, è un dispositivo di imaging con risoluzione di 570 megapixel. Con questo livello di dettaglio è possibile avere immagini di altissima qualità e visualizzare in dettaglio gli effetti di lente gravitazionale causati dall’attrazione di curve di materia oscura che vanno a oscurare galassie lontane – è il modo in cui gli scienziati riescono a visualizzare un oggetto altrimenti invisibile anche agli strumenti astronomici più sensibili. «Abbiamo misurato distorsioni, anche appena percettibili, in quasi due milioni di galassie per costruire queste nuove mappe della materia oscura», spiega Vinu Vikram dell’Argonne National Laboratory, che con Chihway Chang del Politecnico di Zurigo ha guidato un team di ricercatori provenienti dalle Università di Portsmouth, di Manchester, dal Politecnico di Zurigo oltre a numerose istituzioni legate alla Dark Energy Survey. La mappa di Vikram e Chang copre a malapena il 3% della superficie del cielo. È ancora tanta la strada da fare, ma la via battuta è quella giusta. Presto si potrà fare chiarezza fra le teorie cosmologiche attualmente avanzate e cui mancano prove empiriche a sostegno. Le teorie più accreditate suggerisco che, dal momento che nell’universo c’è molta più materia oscura che materia visibile, le galassie debbano formarsi dove c’è maggiore concentrazione di materia oscura. «I dati che abbiamo fra le  mani, al momento, sono in linea con quella che è l’immagine attuale che abbiamo dell’universo», sottolinea Chang. «Ingrandendo la mappa, abbiamo misurato in che modo galassie di tipo diverso siano avvolte dalla materia oscura, e quale sia stata la loro evoluzione nel corso del tempo. E siamo ansiosi di utilizzare i nuovi dati per fare test più restrittivi sui modelli teorici». La fotocamera è stata costruita e testata dal Fermi National Accelerator Laboratory ed è montata sul telescopio Victor M. Blanco del National Optical Astronomy Observatory, sul Cerro Tololo, in Cile
di Davide Coero Borga (INAF)

Non tutte le supernove “Ia” sono uguali

Grazie alla loro straordinaria regolarità, sono i “righelli cosmici” presenti da anni nell’astuccio d’ogni astrofisico, strumenti d’elezione per prendere le misure a un universo in espansione. Questo perché le supernove di tipo Ia esplodono tutte allo stesso modo, tutte al superamento di un’identica soglia: il limite di Chandrasekhar, corrispondente a circa 1.44 masse solari. Soglia raggiunta da una nana bianca consumando poco a poco, in un sistema binario, la materia sottratta alla stella compagna. Insomma, un perfetto meccanismo a orologeria, in grado di produrre esplosioni di luminosità pressoché identica – da qui l’appellativo di “candele standard” – in tutto l’universo. Dunque un riferimento in teoria assoluto, irrinunciabile per calcolare la distanza delle galassie che le ospitano. Ebbene, alcune recenti osservazioni sembrano mostrare che così standard non sono: di supernove Ia potrebbero esisterne almeno due diversi sottotipi. A far sorgere il dubbio, le osservazioni compiute in banda ultravioletta, utilizzando il telescopio spaziale Swift della NASA, da un team di astronomi guidato da Peter Milne della University of Arizona, poi confrontate con quelle ottenute in banda ottica dal telescopio spaziale Hubble. Proprio i dati in ultravioletto hanno evidenziato la presenza di differenze inattese fra le supernove osservate. Differenze emerse sotto forma di lievi spostamenti spettrali verso il rosso o verso il blu, assai difficili da cogliere affidandosi ai soli dati in banda ottica, e che potrebbero avere importanti ripercussioni in ambito cosmologico. «Ciò che abbiamo trovato è che non si tratta di differenze casuali, anzi: ci inducono a distinguere le supernove di tipo Ia in due diversi gruppi. E il gruppo che risulta minoritario a breve distanza da noi diventa quello predominante a distanze maggiori – dunque quando l’universo era più giovane», spiega Milne. «Andando indietro nel tempo, vediamo dunque un cambiamento nella popolazione delle supernove. L’esplosione sembra avere qualcosa di diverso, qualcosa che non si coglie osservando in banda ottica, ma che diventa evidente in ultravioletto. Poiché nessuno l’aveva mai notato prima, queste supernove erano state gettate insieme nello stesso mucchio. Ma se ne osserviamo dieci fra quelle a noi più vicine, queste saranno in media più “rosse” di quanto non lo sia un campione di altre dieci scelte fra quelle più lontane». La conseguenza più eclatante di questa non uniformità sarebbe, se confermata, che l’espansione dell’universo accelera meno del previsto. Le supernove di tipo “Ia” sono infatti uno dei tre pilastri osservativi (gli altri due sono la radiazione di fondo cosmico a microonde e le oscillazioni barioniche acustiche) a sostegno dell’espansione accelerata, scoperta per la quale Saul Perlmutter, Brian Schimdt e Adam Reiss hanno ottenuto nel 2011 il Nobel per Fisica. Una conseguenza, dunque, che avrebbe a sua volta ripercussioni sulla quantità di energia oscura presente nel cosmo: in particolare, stando agli autori dello studio, potrebbe essere inferiore a quanto atteso. E se la presenza della dark energy – per quanto ridimensionata – non sarebbe comunque messa in discussione dalle osservazioni di Milne e colleghi, è il possibile venir meno di uno strumento affidabile per studiarla a preoccupare maggiormente gli scienziati. «Il risultato presentato nell’articolo in questione è sicuramente allarmante, non tanto per l’esistenza o meno dell’energia oscura, un risultato che a mio modo di vedere rimane solido, ma per l’utilizzo delle supernove di tipo Ia nell’indagine sulla sua stessa natura», puntualizza infatti Enrico Cappellaro, astrofisico ed esperto di supernove presso l’Osservatorio astronomico dell’INAF di Padova, al quale abbiamo chiesto un commento. «Per quest’ultimo obiettivo la precisione richiesta è decisamente superiore, e quindi un problema sistematico nella calibrazione può essere catastrofico». «D’altre parte», mette in guardia lo stesso Cappellaro, «devo ammettere di avere ancora qualche dubbio sulla consistenza dell’effetto trovato. C’è bisogno di migliorare la statistica per verificare se effettivamente si tratta di due popolazioni distinte, e per confermare l’evoluzione con il redshift delle proprietà delle supernove Ia».
di Marco Malaspina (INAF)

L’evoluzione degli aloni di materia oscura

Alcuni ricercatori dell’Istituto Kavli IPMU hanno trovato che gli effetti ambientali, come le code di marea che vengono generate a seguito delle interazioni gravitazionali su scale molto maggiori di quelle caratteristiche di un ammasso di galassie, sono indispensabili per spiegare la distribuzione e l’evoluzione degli aloni di materia oscura che circondano le galassie. Questo lavoro, pubblicato su Physical Review D, è stato reso possibile grazie ad un confronto dettagliato tra teoria e simulazioni e permette di avere ulteriori indizi sulle proprietà fisiche dell’Universo. Nello scenario standard che descrive la formazione delle strutture cosmiche, la materia oscura collassa per effetto gravitazionale formando una regione molto densa, chiamata alone di materia oscura, che successivamente attrae il gas causando la formazione di stelle e galassie. Dunque, per estrarre l’informazione cosmologica dalle mappe galattiche tridimensionali, come ad esempio le survey SDSS BOSS, SuMIRe e così via, è importante capire come si sono evoluti gli aloni di materia oscura nel corso della storia cosmica, un problema noto in cosmologia con il termine halo bias. «Vari studi hanno già tentato di descrivere questo problema cosmologico», spiega Teppei Okumura, un ricercatore coinvolto nello studio. «Ad ogni modo, nessuno di essi ha fornito dei buoni risultati dalle simulazioni. Perciò, abbiamo deciso di proseguire i lavori precedenti motivati da argomentazioni di natura matematica al fine di verificare se le nostre estensioni fossero valide». Gli autori dimostrano che i termini cosiddetti “non locali di ordine superiore” che si originano dagli effetti ambientali, come appunto le code di marea che si generano dalle interazioni gravitazionali, devono essere prese in considerazione per poter descrivere nelle simulazioni il problema dell’halo bias. Inoltre, nell’articolo i ricercatori confermano che l’entità di questi effetti ambientali concorda molto bene con una semplice previsione teorica. «I risultati del nostro studio forniscono delle previsioni più accurate relative alla distribuzione degli aloni di materia oscura se però vengono considerati in maniera appropriata i termini di ordine superiore che sono stati omessi in letteratura», afferma Shun Saito, primo autore dello studio. «Il nostro modello che abbiamo ulteriormente perfezionato è stato già applicato ai dati reali del progetto BOSS. Perciò il nostro lavoro permette di migliorare certamente la stima delle masse del neutrino non solo ma ci fornisce preziosi indizi sull’enigmatica energia oscura».
di Corrado Ruscica (INAF)

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