Un anno di Dark Energy Survey

Questa settimana la Dark Energy Survey ha reso pubblici i dati del primo anno di osservazioni. Potevo non parlarne? Appunto, quindi eccoci qua.
La Dark Energy Survey (acronimo DES) è una collaborazione internazionale tra astrofisici che cerca di capirci qualcosa sull’energia oscura e in generale su come è fatto l’universo.

Cos’è l’energia oscura, in parole povere? La teoria della relatività generale di Einstein, così come fu concepita originariamente, prevedeva un universo in espansione rallentata. Infatti, le galassie che si espandono, lo fanno sempre più lentamente a causa della reciproca attrazione gravitazionale; in pratica è come se la gravità frenasse le galassie. Fin qui tutto, bene. Anzi no, perché nel 1998 fu scoperto che l’espansione dell’universo non è affatto rallentata, bensì accelerata. La “colpa” di questa accelerazione è stata affibbiata a quella sostanza di cui non sappiamo assolutamente nulla e che chiamamo “dark energy”, cioè energia oscura.

Quello che sappiamo, e lo sappiamo per esempio dalla radiazione cosmica di fondo a microonde e dalle supernovae, è che l’energia oscura consiste nel 70% circa di ciò che c’è nell’universo. Ovvero, viviamo in un universo di cui ignoriamo cosa sia la roba che maggiormente lo riempie.
Tutto ciò che vediamo con i nostri occhi e con i nostri telescopi sono stelle, materia che emette luce, detta anche materia barionica. Ecco, la materia barionica è soltanto un misero 5% di tutto quello che c’è nell’universo. Per inciso, poi, il resto (circa il 25%) è materia oscura, un’altra roba di cui sappiamo poco o nulla, come il Molise insomma.

Il punto è che comunque ci sono abbastanza ragioni per ritenere che la materia oscura sia comunque una forma di materia, magari qualche tipo di particella che ancora non abbiamo scoperto. Insomma, siamo abbastanza fiduciosi che prima o poi capiremo di che si tratta (dopo l’osservazione delle onde gravitazionali da parte di LIGO, qualcuno azzarda addirittura buchi neri primordiali…).

L’energia oscura invece no, non ne abbiamo la più pallida idea.

Sappiamo però tante cose. In questo modello di universo fatto di luce, materia barionica, materia oscura e energia oscura, le cose devono andare in un certo modo. Per esempio, la probabilità di trovare due galassie vicine deve dipendere per forza dall’abbondanza di materia e energia oscura, visto che queste due quantità sono determinanti per quanto riguarda l’espansione dell’universo.

Oppure il lensing gravitazionale. Ricordo di cosa si tratta: quando tra noi e le galassie lontane c’è della materia, l’immagine delle galassie lontane ci appariranno distorte, come quando si mette una lente tra i nostri occhi e un oggetto lontano. Ma non solo, immagini vicine avranno distorsioni in qualche modo correlate. Quindi, analogamente a ciò che si fa con la probabilità di trovare due galassie vicine, si può misurare, data l’immagine di una galassia distorta, qual è la probabilità di trovare, vicino a quella, l’immagine di un’altra galassia con un livello di distorsione simile.
Globalmente, tutto ciò dipende dal campo gravitazionale prodotto dalla materia che c’è tra noi e le galassie lontane. Ingenuamente, potremmo pensare che solo materia oscura entri in questo fenomeno. E invece no, pure l’energia oscura cambia le carte in tavola, visto che in fin dei conti determina il tasso di espansione dell’universo, e quindi il “livello di appiccicosità” delle galassie tra loro (scusate per l’esempio, come dire, romantico-adolescenziale).

Detto questo, torniamo a DES.
Come detto in apertura, la collaborazione DES ha reso pubblici i risultati delle osservazioni fatte durante il primo anno di raccolta dati. DES ha come strumento principale la Dark Energy Camera (DECam), un fantastico CCD, come quello delle macchine fotografiche ma molto più grosso e potente, montato sul telescopio Blanco di 4 metri di diametro che si trova sulle Ande in Cile. Eccolo qua, il telescopio Blanco:

DECam ha misurato correlazioni tra le posizioni e le distorsioni (delle immagini) di circa 26 milioni di galassie. Correlando, correlando (e abbiamo visto prima perché si correla), i risultati che sono venuti fuori e sono stati confrontati con vari modelli di universo in cui abbiamo, appunto, luce, materia barionica, materia oscura ed energia oscura. In particolare, i vari modelli hanno dei parametri, uno per esempio che dice quanta materia oscura c’è, uno per l’energia oscura, e così via. Tramite le misure, lavorando con un po’ mezzi statistici, si ottengono delle stime sul valore di questi parametri, con tanto di incertezze, ovviamente.

Cos’è venuto fuori? È venuto fuori che le incertezze ottenute con DES sono molto simili alle incertezze ottenute con osservazioni astrofisiche molto più navigate come la radiazione di fondo a microonde. Per quanto riguarda le stime dei valori dei parametri, qualche discrepanza c’è. Per esempio, per due parametri molto rappresentativi (cosa su cui sorvoliamo perché non è questo il punto che ci interessa ora) accade questo:

La chiazza blu rappresenta l’area dove potrebbero finire le stime dei due parametri indicati sugli assi con i dati di DES del primo anno; la chiazza verde mostra la stessa cosa per i dati di Planck, cioè con i dati della radiazione cosmica di fondo a microonde. La chiazza rossa, infine, mostra cosa Planck e DES possono fare insieme, mano nella mano (più o meno). Come vedete, l’area delle chiazze blu (solo DES) e verde (Planck) sono molto simili; questo mostra proprio quanto DES sia competitivo con Planck riguardo l’incertezza sulla stima dei parametri (ovviamente c’è tutta una questione tecnica di metodologia per la quale rimando all’articolo scientifico originale – link alla fine di questo post).

Quando si guarda questo grafico, oltre a notare le ovvie differenze, bisognerebbe anche ragionare come segue.
La radiazione cosmica di fondo è una luce che proviene da molto indietro nel tempo, circa 380 mila anni dopo il Big Bang. DES invece usa le galassie, quindi qualcosa di relativamente recente, sicuramente più recente della radiazione di fondo.
Inoltre, per studiare la radiazione di fondo, si deve usare le frequenze della luce a microonde osservata per risalire alla distribuzione di materia oscura nell’universo; con DES invece si osserva la materia barionica, cioè le galassie, e da quelle si risale alla distribuzione di materia oscura nell’universo. Poi, all’epoca della radiazione di fondo, le cose erano molto più semplici, la gravità non aveva ancora fatto collassare un bel niente e l’universo era molto omogeneo. L’universo che studia DES invece è pieno di ammassi di galassie, quindi strutture che hanno messo insieme le galassie; si tratta delle strutture formate più di recente nell’universo, visto che per averle abbiamo dovuto attendere la formazione prima delle stelle, poi delle galassie e infine degli ammassi, appunto.

Insomma, tutto sommato, il fatto che due esperimenti (Planck e DES) che usano dati abbastanza diversi offrano stime molto simili è un fatto parecchio interessante e incoraggiante. Certo, anche guardando altre osservazioni astrofisiche, le “tensioni” (cioè le discrepanze tra le stime dei parametri) restano, soprattutto per quanto riguarda la misura della costante di Hubble (per esempio, date un’occhiata all’ultimo paragrafo di questo post).

Per il momento, purtroppo, non abbiamo potuto scoprire nulla di più nè sull’energia oscura nè sulla materia oscura. DES andrà avanti a raccogliere ancora altri dati nei prossimi anni; i risultati del primo anno già mostrano che abbiamo tra le mani qualcosa di davvero potente per studiare l’universo, e le cose non possono fare altro che migliorare.

Questa è sicuramente l’epoca migliore per studiare astrofisica.
Ma, lasciatemelo dire, è anche probabilmente l’epoca migliore per scrivere un blog di astrofisica!

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Fonti
L’immagine della DECam è stata presa dal sito ufficiale di DES: https://www.darkenergysurvey.org/the-des-project/instrument/
Il grafico è stato preso dall’articolo scientifico originale della collaborazione DES (figura 10): http://www.darkenergysurvey.org/wp-content/uploads/2017/08/kp_for_submission.pdf

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