A caccia della materia oscura con la nuova e più precisa mappa

mappa materia oscura
Mappa della materia oscura realizzata dalla misurazione con effetto della lente gravitazionale di 26 milioni di galassie nel Dark Energy Survey. La mappa copre circa 1/30 dell’intero cielo e diversi miliardi di anni luce in estensione. Le regioni rosse hanno più materia oscura rispetto alla media, mentre le regioni blu indicano una concentrazione più bassa. Crediti immagine: Chihway Chang of the Kavli Institute for Cosmological Physics at the University of Chicago and the DES collaboration.

SCOPERTE – Oltre 26 milioni di galassie osservate da più di 400 ricercatori della collaborazione internazionale Dark Energy Survey, DES, ha permesso la realizzazione della più precisa mappa della distribuzione di materia oscura nell’universo. Un risultato eccezionale, basato su appena un anno di presa dati dei 5 previsti e che ha già mostrato una compatibilità con un margine di errore di appena il 7% con la precedente mappa realizzata dai dati del satellite Planck dell’European Space Agency, ESA. Per la prima volta infatti gli scienziati sono stati in grado di osservare con estrema precisione l’immagine dell’universo attuale e con la stessa chiarezza con cui Planck ha permesso di osservare la sua infanzia, quando il cosmo aveva appena 380mila anni dopo il Big Bang.

Avere a disposizione queste due istantanee dell’universo e poter combinare i dati ha inoltre permesso di individuare il filo, passo dopo passo, della sua evoluzione e la determinazione con una precisione senza precedenti delle costanti cosmologiche che guidano l’espansione dell’universo.

Materia oscura, energia oscura: perché una mappa?

Della materia oscura e dell’energia oscura ad oggi sappiamo ancora poco. Non conosciamo la loro forma, non sappiamo che tipo di forza esercitino, ma sappiamo che costituiscono rispettivamente il 26% e il 70% della composizione dell’universo La materia visibile o regolare, quella cioè che l’uomo è in grado di osservare con gli strumenti a sua disposizione ed è composta da galassie, ammassi di galassie e tutto ciò che contengono, rappresenta appena il 4% della distribuzione di massa nel cosmo.

I dati hanno inoltre permesso di testare il modello standard della cosmologia, noto come Lambda-CDM, che include due ingredienti chiave: il primo è la materia oscura fredda (Cold Dark Matter), la forma di materia che è 5 volte maggiore della regolare e che si raggruma in ammassi che permettono la formazione di altre strutture come galassie e ammassi di galassie. Il secondo ingrediente è la costante cosmologica Lambda, che descrive l’accelerazione dell’espansione dell’universo, guidata proprio dall’energia oscura.

Realizzare una mappa come DES dunque ha un ruolo decisamente importante nella cosmologia, perché fornisce dati chiave per poter eseguire test precisi sui modelli cosmologici, dato che né la materia oscura né l’energia oscura sono mai state osservate direttamente.

Dark Energy Survey: la presa dati e le lenti gravitazionali

L’obiettivo del Dark Energy Survey è ambizioso: mappare un ottavo del cielo in modo dettagliato come non è mai stato fatto prima. I risultati rilasciati hanno permesso la realizzazione di una mappa che copre 1/30 del cielo e che è il frutto del solo primo anno di osservazione. In tutto il progetto prevede 5 anni di presa dati e il quinto anno di osservazione inizierà proprio ad agosto 2017.

Per farlo gli scienziati hanno utilizzato lo strumento 570-megapixel Dark Energy Camera, una delle più potenti in funzione, che è in grado di catturare immagini digitali dalla luce delle galassie fino a 8 miliardi di anni luce dalla terra. La fotocamera è stata costruita e testata nel Fermilab, il laboratorio che ha condotto il Dark Energy Survey, e montata sul telescopio Blanco dal diametro di 4 metri della National Science Foundation che si trova in Cile. I dati raccolti dal DES sono stati analizzati dal National Center for Supercomputing Applications dell’università dell’Illinois. Nigel Sharp, del National Science Foundation, ha commentato:

“E’ sorprendente che il team sia riuscito a raggiungere questa precisione con un solo anno di misurazioni. Ora che la loro tecnica di analisi è stata sviluppata e testata con successo, attendiamo con impazienza i risultati innovativi che il survey può offrire”.

Gli scienziati di DES hanno utilizzato due metodi per misurare la materia oscura. Il primo è stato quello di creare una mappa delle posizioni delle galassie come traccia guida per poi misurare con precisione la forma di 26 milioni di galassie. Per ottenere questo risultato, il team internazionale di ricercatori ha sviluppato un nuovo modo di usare il fenomeno delle lenti gravitazionali, cioè le distorsioni causate dalla presenza di galassie in primo piano che ingrandiscono proprio come una lente quelle sullo sfondo e più distanti, altrimenti difficili da osservare.

Proprio queste nuove tecniche hanno permesso di realizzare una mappa che è 10 volte più estesa di quella ottenuta nel 2015 dai risultati del satellite Planck, che ha osservato la radiazione cosmica di fondo a microonde, cioè il lontano eco del Big Bang: una istantanea sull’universo primordiale e sulla sua composizione. Il lavoro però è solo all’inizio: analizzando gli altri dati raccolti nel corso degli anni, la mappa potrebbe diventare ancora 3 volte più grande.

La “battaglia” della materia per svelare l’universo

Anche se può sembrare un paradosso, spiegano gli scienziati di DES, è più facile misurare la rugosità dell’universo su larga scala nel distante passato che oggi. Quando infatti, appena 400mila anni dopo il Big Bang, il cosmo era costituito da gas incandescente, la gravità esercitata dalla materia oscura ha spinto la massa a raggrumarsi, permettendo la formazione di strutture come galassie e ammassi di galassie. L’energia oscura, invece, ha remato contro, provocando la disgregazione della materia. Una battaglia, dicono gli scienziati, che si svolge ormai da oltre 14 miliardi di anni.

Analizzando i risultati del primo anno di osservazioni di DES e confrontandoli con quelli di Planck, gli scienziati sono stati in grado di ricostruire passo dopo passo questa battaglia, che dal Big Bang a oggi si combatte e da cui dipende la struttura moderna dell’universo. Non solo i dati delle due mappe si sono rivelati esatti con un margine di errore di appena il 7%, ma hanno anche permesso di testare tantissimi e differenti modelli cosmologici e di dare una prima conferma al modello cosmologico standard Lamba-CDM. Proprio la costante che è caratteristica per questo modello, infatti, è stata ricalcolata mettendo insieme i risultati delle due mappe con un margine di errore inferiore al 5 percento. Nigel Lockyer, direttore del Fermilab, ha commentato:

“Le misurazioni del Dark Energy Survey ha portato già a grandi scoperte e abbiamo appena grattato la superficie dei dati raccolti.

Tre anni di dati, infatti, aspettano ancora di essere analizzati, ma i ricercatori della collaborazione internazionale sono sulla strada giusta. Il metodo sviluppato e le tecniche usate si sono rivelate promettenti e se intanto l’analisi dei dati continua, non ci resta che aspettare il prossimo anno di osservazioni per fare un passo avanti nel disvelamento dell’universo e della sua misteriosa struttura. La caccia alla materia e all’energia oscura è appena all’inizio.

@oscillazioni

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