Una mappa per l’Universo

L’universo è sterminato, talmente vasto da mettere a dura prova la nostra capacità di cogliere, sia pure in minima parte, qualsiasi concetto intuitivo di grandezza. Eppure moltissimi astronomi passano la vita nell’immane lavoro di tracciare “atlanti” dell’universo sulla scala più ampia possibile. Queste mappe sono fondamentali per lo studio della fisica che determina la storia cosmica.

Esattamente un anno fa, un progetto ventennale, lo Sloan Digital Sky Survey ha prodotto la più grande mappa dell’universo mai realizzata. Questa rappresentazione tridimensionale contiene le posizioni di 4 milioni di galassie che ci consentono uno straordinario viaggio nel tempo, oltre che nello spazio. Questa mappa dimostra come le galassie non sono distribuite in modo casuale ma raggruppate in strutture ben precise, alcune sono collocate in aree percorse da lunghi filamenti e strati bidimensionali di galassie, altre collocate in aree buie che contengono poche galassie.

La teoria prevalente è che queste strutture siano emerse ancor prima della formazione delle galassie. Le osservazioni effettuate e/o prese in esame dallo Sloan Digital Sky Survey si sono basate su una proprietà della disposizione delle galassie nello spazio detta oscillazioni acustiche barioniche (BAO). Per comprendere di cosa si tratti esattamente dobbiamo tornare molto indietro nel tempo, esattamente nei primi 300.000 anni dall’istante del Big Bang.

L’universo in quel periodo fu soggetto ad una violentissima espansione, la cosiddetta inflazione. Durante questa fase, minuscole fluttuazioni quantistiche della distribuzione dell’energia nell’universo, assunsero dimensioni macroscopiche. Le regioni dello spazio con maggior quantità di energia progressivamente attrassero più materia, mentre altre rimasero praticamente vuote. Nei successivi 13,7 miliardi di anni aree dense hanno formato i filamenti, gli strati e gli ammassi di galassie che possiamo osservare oggi.

Le BAO si formano per il modo con il quale luce e materia interagiscono influenzando la formazione delle strutture. Come sappiamo l’universo ha due tipi di materia, quella che costituisce stelle, pianeti, noi stessi (materia barionica) e la sfuggente materia oscura. Nel caldo universo primordiale le particelle di materia ordinaria e la luce (i fotoni) collidevano così spesso da risultare come “imprigionati” mentre la materia oscura era libera di muoversi indipendentemente.

Una volta che luce e materia non furono più legate, rimase un eccesso di materia ordinaria che formò gusci sferici intorno alle densità superiori alla norma costituite da materia oscura. La gravità poi faceva il suo lavoro attirando verso questi gusci entrambi i tipi di materia ma questo processo ha impresso nella struttura dell’universo dei nuclei particolarmente densi, circondati da gusci sferici. Questa caratteristica comune, appunto l’oscillazione acustica barionica, ha una dimensione chiamata “orizzonte sonoro comovente” ben visibile nella mappa delle galassie tracciate.

Queste strutture si sono formate nello stesso periodo temporale e nello stesso modo e circa 500 milioni di anni luce separano il nucleo dal suo guscio. La Sloan Survey ha esaminato 2 milioni di galassie e qasar usando la spettroscopia una tecnica con il quale è possibile isolare le differenti frequenze d’onda della luce proveniente da un oggetto. Queste misurazioni rivelano quindi la velocità con cui le galassie si allontanano da noi, velocità che dipende da quanto l’universo si è espanso tra il momento in cui è stata emessa la luce e quello nel quale la osserviamo. L’espansione dilata le frequenze d’onda nel fenomeno conosciuto come “spostamento verso il rosso”.

Sono stati osservati in particolare oltre 1000 oggetti cosmici contemporaneamente utilizzando cavi a fibre ottiche per ciascuno di essi. Tutte le notti tra dicembre 2009 e marzo 2019 nelle quali la Luna non era molto luminosa il telescopio presso l’osservatorio di Apache Point, in New Mexico, scandagliava una particolare zona di cielo e le fibre ottiche passavano la luce che cadeva sul piano focale a due spettrografi.

Negli ultimi dieci anni lo Sloan Digital Sky Survey ha misurato le posizioni e gli spostamenti verso il rosso di oltre 4 milioni di galassie. Le mappe elaborate sono la “fotografia” di 11 miliardi di tempo, buona parte della storia dell’universo. I dati ricavati forniscono anche ulteriori informazioni sull’energia oscura, quella forza misteriosa che sembra essere responsabile dell’accelerazione dell’espansione dell’universo. Dal punto di vista del formalismo matematico il modello che descrive l’energia oscura è la cosiddetta “costante cosmologica Lambda” a sua volta inserita nel modello cosmologico Lambda CDM che anche se non è ancora del tutto compreso in tutti le sue implicazioni è sopravvissuto a molte verifiche.

Tuttavia questo modello ha una serie di problemi. Alcune recenti osservazioni mostrano delle discrepanze tra la realtà osservata e il modello. Il tempo chiarirà se queste discrepanze sono il segno inequivocabile della fallacia di questo modello o se si tratta di problemi insite nelle misurazioni sperimentali. Le osservazioni compiute per arrivare alla mappa più grande dell’universo mai realizzata ci mostrano che si verificò una transizione quando l’universo era circa al 60% delle sue dimensioni attuali: l’espansione dello spazio smise di decelerare ed iniziò ad accelerare. Questo risultato sembra concordare con il modello LAMBDA-CDM, secondo il quale questo fu il momento in cui l’energia oscura prese il sopravvento sulla forza di gravità.

Sempre mettendo a punto questo straordinario “atlante dell’universo” si trova conferma sulla natura geometrica piatta dell’universo. Insomma almeno per quello che riguarda le conclusioni di Sloan non emergono dati oggettivi che contrastino in modo inequivocabile con il modello cosmologico attualmente più accreditato. Rimane una difformità tra il tasso di espansione dell’universo locale (quello più vicino a noi) e quello ricavato dal fondo cosmico a microonde. Questa discrepanza è abbastanza significativa da costituire una pericolosa incrinatura dell’attuale modello cosmologico, a meno che, non si tratti, anche in questo di caso, di un qualche problema correlato ai calcoli conseguenti le relative misurazioni. Una profonda revisione del modello LAMBDA-CDM è però tutt’altro che da escludere.

La corsa a realizzare mappe ancora più grandi e dettagliate dell’universo è tutt’altro che terminata. La conoscenza della storia cosmologica che si ricava da esse è così importante che presto saranno avviati diversi progetti, tra i quali la missione satellitare EUCLID che verrà lanciata nel 2022, coordinata dall’Agenzia Spaziale Europea e che si ripromette, sfruttando l’ubicazione nello spazio, al riparo dalle interferenze dell’atmosfera terrestre, di esplorare lo spostamento verso il rosso di 25 milioni di galassie collocate a distanze molto maggiori di quelle osservabili dalla superficie terrestre.

Fonte:

Le Scienze, luglio 2021, ed. cartacea