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Un nuovo telescopio per studiare l’universo oscuro

Un nuovo telescopio per studiare l’universo oscuro

Il telescopio spaziale Euclid è decollato il 1 luglio 2023 a bordo di un razzo Falcon 9 e ora ha raggiunto la sua destinazione: un’orbita attorno al sole a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, insieme al telescopio James Webb, l’ammiraglia della NASA.

Euclide ha aperto la lente sullo spazio nella sua missione: trovare numeri e applicarli alla materia oscura e all’energia oscura.

Entro sei anni il telescopio spaziale fotograferà un terzo del cielo e catturerà immagini di un miliardo e mezzo di galassie.

L’analisi di tutte queste immagini mostrerà come le forze oscure hanno dettato la forma e il contenuto dell’universo.

Forse Euclide rivoluzionerà non solo la nostra comprensione della materia oscura e dell’energia oscura, ma anche le teorie fondamentali della cosmologia.

Queste osservazioni potrebbero confermare la nostra comprensione della gravità e della storia dell’universo, o costringere gli scienziati a iniziare da zero.

La materia oscura accelera le stelle

Le galassie sono raggruppate in grandi gruppi chiamati ammassi di galassie. Già negli anni ’30, le osservazioni mostravano che le galassie di questi ammassi ruotano l’una intorno all’altra più velocemente di quanto possano essere spiegate dalle stelle che possiamo vedere.

L’astronomo svizzero Fritz Zwicky analizzò il fenomeno e suggerì che nelle galassie dovesse esserci una massa che non possiamo vedere – e chiamò questa massa “materia oscura” (in tedesco “dunkle Materie”).

La materia oscura inoltre fa sì che le stelle della galassia ruotino attorno al centro galattico più velocemente di quanto farebbero altrimenti.

Negli anni ’70, l’astronoma americana Vera Rubin misurò la rotazione di un certo numero di galassie, e non c’erano dubbi che le galassie contenessero più di cinque volte la quantità di materia oscura rispetto alla materia normale.

Da allora, i fisici hanno cercato di capire cosa sia realmente la materia oscura.

Ma la materia oscura non riflette né assorbe la luce e può attraversare la materia ordinaria senza fare la minima differenza.

Ogni secondo, miliardi di particelle di materia oscura possono attraversare il nostro corpo senza che ce ne accorgiamo.

In centinaia di esperimenti, i fisici hanno cercato di individuare la materia oscura, ma finora non ha lasciato la minima traccia, ad eccezione della traccia della gravità.

La gravità della materia oscura ha fatto sì che la materia ordinaria si assemblasse in enormi strutture cosmiche. Le galassie giacciono come gocce di rugiada in una ragnatela tridimensionale i cui fili sono materia oscura.

Ora il telescopio Euclid mapperà tutto.

Utilizzando il telescopio Euclid, gli astronomi saranno in grado di creare un’immagine tridimensionale dell’universo.

L’immagine può essere paragonata a ciò che i medici creano con l’aiuto di una TAC.

Nell’immagine 3D, i ricercatori possono vedere come le galassie si sono riunite nel corso di dieci miliardi di anni. In questo modo, potranno scoprire come la materia oscura ha modellato l’universo.

Inoltre, i ricercatori sfrutteranno un fenomeno chiamato lente gravitazionale debole per rilevare la materia oscura. Questo effetto prende il nome perché la materia oscura, proprio come la materia normale, piega lo spazio attorno a sé in modo che la luce proveniente dalle galassie distanti si pieghi e si faccia strada attraverso l’universo per raggiungerci.

Pertanto, la materia oscura agisce come una lente che fa apparire le galassie leggermente distorte quando la luce proveniente da esse colpisce il telescopio di Euclide.

Le analisi delle galassie distorte potrebbero avvicinare gli scienziati alla verità sulla materia oscura.

Gli scienziati non sanno ancora di cosa sia fatta questa materia, ma hanno dei candidati: particelle relativamente pesanti chiamate deboli (particelle massicce che interagiscono debolmente) e particelle più leggere chiamate assioni.

Le osservazioni di Euclide possono essere confrontate con modelli computazionali di punti deboli e azioni, guidando così i ricercatori nella direzione della conclusione corretta.

L’universo sta prendendo velocità

L’universo si sta espandendo. I ricercatori lo avevano già deciso negli anni ’20. Le galassie si allontanano sempre di più perché lo spazio reale tra loro sta diventando sempre più grande e può essere misurato.

Gli astronomi in realtà credevano che l’espansione fosse rallentata dalla materia nell’universo perché tutta la materia attira tutto il resto attraverso la gravità.

Invece, nel 1998 gli scienziati hanno scoperto in modo drammatico che l’espansione non solo continua senza sosta, ma sta accelerando. In altre parole, deve esserci energia che resiste alla gravità e “spinge verso l’esterno” – questa è stata chiamata energia oscura.

Nel modello più semplice, l’energia oscura è incorporata nello spazio stesso e agisce come una forza repulsiva – pressione – che provoca l’espansione dello spazio.

Più spazio significa più energia oscura che dà più spazio e quindi può persistere.

Ma forse l’energia oscura non è così semplice.

La luce proveniente da galassie lontane viene deviata dalla materia oscura in modo da apparire distorta. Gli scienziati che lavorano dietro il telescopio Euclid possono utilizzare questa anomalia per mappare la materia oscura e misurare il modo in cui l’energia oscura espande l’universo.

1: Le galassie distanti emettono luce

La fotocamera di Euclide cattura la luce emanata da un miliardo e mezzo di galassie nell’universo, a dieci miliardi di anni luce di distanza. In altre parole, la luce delle galassie ha origine in un periodo relativamente precoce nei 13,8 miliardi di anni di storia dell’universo.

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2: La materia oscura piega la luce

Nel lungo viaggio attraverso l’universo, la luce proveniente dalle galassie incontra accumuli di materia oscura che deformano lo spazio attorno ad essa. La luce segue lo spazio curvo e cambia direzione nel suo cammino verso di noi.

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3: L’energia oscura ha disperso la materia oscura

Le analisi delle forme delle galassie dicono agli astrofisici quanta materia oscura c’è nell’universo e come si aggrega. Questi dati aiutano anche gli scienziati a calcolare l’impatto dell’energia oscura sull’universo.

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© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Usando Euclid, gli scienziati possono capire quanto velocemente le galassie si sono divergenti l’una dall’altra negli ultimi 10 miliardi di anni.

In questo modo potranno anche scoprire se l’energia oscura si comporta sempre allo stesso modo ovunque nell’universo. La forza dell’energia oscura può differire, quindi i fisici devono trovare un nuovo modello per l’evoluzione dell’universo.

Le teorie possono essere riscritte

Euclid è l’unico telescopio spaziale che guarderà solo nell’universo oscuro. Ma le misurazioni ottenute dal telescopio non resteranno sole, perché i ricercatori sono in pieno svolgimento nella costruzione del grande Osservatorio americano Vera C. Rubin.

Il telescopio sarà installato sulla cima del monte Cerro Pachón, nel nord del Cile, e inizierà a fotografare il cielo sopra l’emisfero australe nel 2024.

Il prossimo grande telescopio della NASA, il Nancy Grace Roman Space Telescope, verrà lanciato nel 2027. Sarà due volte più grande di Euclid e potrà vedere più lontano nello spazio.

La combinazione dei dati di Euclid, Rubin e Roman potrebbe fornire calcoli più accurati dell’energia oscura.

La vera domanda è se il miglior modello dell’universo elaborato dagli astrofisici regge.

I fisici basano il loro modello dell’universo su due presupposti: che la materia nell’universo sia distribuita uniformemente e che l’universo appaia uguale in tutte le direzioni e si stia espandendo alla stessa velocità in tutte le direzioni.

Se le misurazioni di Euclide mostrano che ciò non è vero – ad esempio, se l’universo si sta espandendo più velocemente in una direzione – allora i fisici dovranno tornare al tavolo da disegno.

Ma la sorpresa più grande si avrà se si scoprisse che la teoria generale della relatività di Einstein non può essere applicata su larga scala.

I ricercatori dovranno quindi trovare una teoria completamente nuova della gravità stessa.

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