Un monitoraggio senza precedenti delle supernove mette in luce il mistero dell’energia oscura

Sono oltre 1500 quelle analizzate, in cinque anni di lavoro, dal programma di osservazione internazionale Dark Energy Survey, con lo scopo di chiarire la natura dell’energia che determina un’accelerazione nell’espansione dell’universo. Ma ancora non si può dire se gli attuali modelli teorici siano da confermare o da rivedere
di Ashley Balzer Vigil/Scientific American
www.lescienze.it

L’universo ha un comportamento anomalo. Alla sua nascita con il big bang, quasi 14 miliardi di anni fa, il cosmo ha iniziato a espandersi. Per la maggior parte del XX secolo, gli scienziati hanno ipotizzato che la gravità avrebbe gradualmente rallentato l’espansione, con tutta la materia dell’universo a fare da freno.

Ma osservazioni effettuate alla fine degli anni novanta hanno dimostrato che non è affatto così. Stime accurate e di alta precisione delle distanze cosmiche, basate su una classe speciale di stelle esplosive chiamate supernove di tipo “Ia”, hanno rivelato che, contro ogni aspettativa, l’espansione dell’universo sta in realtà accelerando. È come se, su scala cosmica, si lanciasse una palla in alto e la si vedesse volare via a una velocità sempre più grande invece di ricadere. La questione del “perché” ciò possa accadere rimane uno dei misteri più fitti della fisica.

“I fisici teorici si stanno sbizzarrendo”, esordisce Tamara Davis, astrofisica dell’Università del Queensland in Australia. “Ci sono centinaia e centinaia di teorie su quello che guida l’accelerazione cosmica.”

In genere gli scienziati chiamano il responsabile energia oscura, ma nessuno sa che cosa sia. Il suo comportamento, tuttavia, potrebbe offrire un potente indizio sulla sua identità: se l’effetto di accelerazione dell’espansione dell’energia oscura si mantiene costante nel tempo, ciò rientrerebbe abbastanza comodamente in quello che è noto come il modello standard della cosmologia, la migliore spiegazione generale dell’evoluzione dell’universo che gli scienziati hanno a oggi ideato. Il problema è che nessuno è stato in grado di affermare con certezza se l’energia oscura sia effettivamente così fissa – e se la forza dell’energia oscura può cambiare nel tempo, riconciliarla con il resto della fisica potrebbe richiedere un ripensamento della nostra comprensione della gravità.

Il problema ha spinto un gruppo internazionale di oltre 400 scienziati, tra cui Davis, a iniziare a collaborare circa dieci anni fa a un programma di osservazione chiamato Dark Energy Survey (DES). I ricercatori hanno costruito una speciale fotocamera da usare con il telescopio Victor M. Blanco dell’Osservatorio interamericano di Cerro Tololo, in Cile, e all’inizio di questo mese, in occasione del meeting annuale dell’American Astronomical Society, hanno riportato gli ultimi e più autorevoli risultati dei loro ambiziosi sforzi. Il gruppo ha anche postato i suoi risultati sul server di preprint arXiv.org.

Notte dopo notte, per cinque anni, il gruppo è andato a caccia dello stesso tipo di supernove che ha portato alla scoperta dell’energia oscura. Le supernove di tipo Ia emettono tutte la stessa quantità di luce quando si verificano, il che le rende utili “righelli” per calcolare le distanze cosmiche. Gli astronomi possono stabilire la distanza di una supernova di tipo Ia misurandone la luminosità. Accoppiando questa distanza con una misurazione separata della velocità con cui la supernova si allontana dalla Terra, si scopre la velocità con cui il cosmo si stava espandendo quando si è verificato il cataclisma stellare. Questa seconda misurazione consiste nell’esaminare lo spettro di una supernova, dividendo la sua luce nei colori che la compongono e osservando quanto sono spostati verso il rosso a causa delle lunghezze d’onda della luce allungate dall’espansione cosmica. Più alto è questo cosiddetto redshift di un oggetto, più velocemente quell’oggetto si sta allontanando da noi.

Circa 50 supernove, la maggior parte delle quali con basso redshift e provenienti da un universo relativamente vicino, costituiscono la base per la scoperta dell’energia oscura nel 1998. Per verificare se e come l’energia oscura possa cambiare nel corso degli eoni, tuttavia, è necessario stabilire le distanze e le velocità delle supernove da un’area molto più ampia dello spazio-tempo. Con il DES, dice Davis, “volevamo verificare se l’energia oscura sia rimasta la stessa nel corso della storia dell’universo, e l’unico modo per farlo è analizzare com’era in passato”. Alla fine, il progetto ha trovato e studiato più di 1500 esplosioni stellari significative, molte delle quali con elevati redshift provenienti dalle profondità del cosmo.

Nuova analisi, stessi risultati sconcertanti
Per individuare le nuove supernove di tipo Ia, “abbiamo dovuto giocare a ‘trova le differenze’ nelle foto”, spiega Maria Vincenzi, cosmologa della Duke University e collaboratrice del DES, che ha co-diretto il progetto cosmologico del gruppo sulle supernove. “Si guardano le immagini da una notte all’altra per vedere se si nota qualcosa.”

Gli scienziati del DES hanno dovuto passare al setaccio circa 19.000 punti identificati nella ricerca del tipo giusto. Per setacciare un set di dati così ampio, il gruppo ha sviluppato nuove tecniche di apprendimento automatico che hanno reso il processo circa 100 volte più veloce.

Ma anche questo non è bastato: sebbene l’automazione intelligente faccia risparmiare tempo nella selezione iniziale dei candidati, per determinare il redshift di ciascuno di essi è necessario ottenere più dati. Questo può essere un compito urgente e difficile, perché la raccolta dello spettro diagnostico di una supernova deve avvenire prima che la sua luce si affievolisca e richiede di assicurarsi un sacco di tempo di osservazione su un telescopio di grandi dimensioni. “Ci vogliono solo cinque minuti per scattare una foto di una supernova, mentre ci vogliono diverse ore per ottenere il suo spettro”, sottolinea Davis.

La soluzione del gruppo di DES è stata misurare i redshift della presunta galassia ospite di ogni candidato segnalato dal computer, piuttosto che del candidato stesso, usando il tempo dedicato dell’Anglo-Australian Telescope di Coonabarabran, in Australia. “Questo è l’elemento che permette di sedersi, rilassarsi e prendere lo spettro a proprio piacimento quando si vuole, perché non si ha fretta di catturare la luce della supernova”, aggiunge Davis.

E da questa – la più ampia e precisa indagine di sempre sulle supernove distanti – che cosa hanno scoperto?

“L’articolo del DES esplora la necessità di un’ulteriore complessità nel modello cosmologico standard e la risposta è negativa”, afferma Charles Bennett, cosmologo della Johns Hopkins University, che non ha partecipato al progetto DES. “Ciò non significa che la natura non sia più complessa, ma piuttosto che non abbiamo prove sufficientemente convincenti per modelli più complicati.”

Tuttavia, come sottolinea Vincenzi, “i risultati sono letteralmente al limite tra il sostenere il modello standard e il suggerire invece che l’accelerazione dell’universo non è stata costante nel tempo”.

In sostanza, l’équipe ha usato dati sempre migliori per giungere alla stessa conclusione spinosa che ha motivato all’origine la sua ricerca. Nonostante sia la migliore stima dell’energia oscura basata su una supernova, il risultato del DES si colloca quasi inaspettatamente in quel ristretto spazio di confinein cui la certezza rimane inafferrabile. E così, ancora oggi, nessuno può dire se le nostre leggi di gravità debbano essere riviste.

Il cammino verso l’illuminazione
Molte delle stesse tecniche di apprendimento automatico sviluppate dal gruppo di DES potrebbero, nei prossimi anni, essere applicate a insiemi di dati molto più ampi, che metterebbero l’energia oscura alla prova in modo ancora più rigoroso. Invece di trovare centinaia o migliaia di nuove supernove di tipo Ia, strutture come l’Osservatorio Vera C. Rubin in Cile ne troveranno probabilmente milioni, il che richiederà modi più efficienti per analizzare tutti questi dati.

“Non sarebbe possibile seguire in diretta ogni singola supernova; semplicemente non ci sono abbastanza risorse di telescopi al mondo”, chiarisce Davis.

Gli astronomi useranno anche osservatori come il prossimo Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA per sondare la storia dell’espansione dell’universo ancora più indietro nel tempo, studiando le supernove e adottando una serie di altri approcci.

“Dobbiamo misurare la storia dell’espansione dell’universo e la crescita della struttura in modo molto dettagliato per capire la natura dell’energia oscura e le potenziali modifiche alla teoria della gravità di Einstein”, afferma Yun Wang, ricercatore senior ed esperto di energia oscura all’Infrared Processing and Analysis Center del California Institute of Technology, che non ha partecipato allo studio del DES. In effetti, i primi risultati di varie indagini in profondità hanno già trovato un possibile indizio del fatto che l’energia oscura sia in qualche modo più complessa della semplice costante che i cosmologi hanno a lungo ipotizzato.

Si tratta di “un problema chiamato tensione di Hubble”, spiega Wang. “Diversi modi di misurare l’attuale espansione dell’universo danno risposte tra loro molto diverse. La modifica delle nostre leggi di gravità è una possibile soluzione a questa tensione, che potrebbe anche essere l’origine dell’energia oscura”. Scoprire la causa dietro le strane misure incoerenti dell’attuale tasso di espansione cosmica, che l’analisi di DES non ha affrontato, potrebbe offrire indizi sul puzzle dell’energia oscura.

“Trovo molto strano che il modello standard funzioni così bene e spieghi una grande varietà di dati precisi con pochi parametri, ma abbia anche una sola area di fallimento”, afferma Bennett. Molti tentativi di aggiustare il modello standard in modo da risolvere la tensione di Hubble finiscono per violare altre leggi fisiche che sono ben supportate dalle osservazioni, osserva Bennett. “È difficile cambiare il modello dell’universo senza influenzare molteplici proprietà misurabili.”

Per ora, “il mistero dell’energia oscura persiste”, conclude Wang, “e il destino finale dell’universo è in bilico”. Se l’accelerazione cosmica ha una forza costante, l’universo si espanderà per sempre; il suo destino è segnato. Ma se l’energia oscura può variare nel tempo, si apre un universo di altre possibilità. “Per me è il problema più eccitante della fisica e dell’astronomia di oggi.”