I ricercatori utilizzano lo Strumento Spettroscopico di Energia Oscura per creare la mappa 3D più grande del nostro universo.

4 aprile 2024

Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo l'affidabilità del contenuto:

• verificato dai fatti
• pre-print
• fonte affidabile
• corretto

dal Lawrence Berkeley National Laboratory

Con 5.000 piccoli robot in un telescopio di montagna, i ricercatori possono guardare 11 miliardi di anni nel passato. La luce di oggetti lontani nello spazio sta solo ora raggiungendo il Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), permettendoci di mappare il nostro cosmo come era nella sua giovinezza e di tracciare la sua crescita a quello che vediamo oggi.

Comprendere come si sia evoluto il nostro universo è legato a come finirà, e a uno dei più grandi misteri della fisica: l'energia oscura, l'ingrediente sconosciuto che fa espandere il nostro universo sempre più rapidamente.

Per studiare gli effetti dell'energia oscura negli ultimi 11 miliardi di anni, DESI ha creato la più grande mappa 3D del nostro cosmo mai realizzata, con le misurazioni più precise ad oggi. Questa è la prima volta che gli scienziati hanno misurato la storia dell'espansione del giovane universo con una precisione migliore dell'1%, offrendoci la nostra migliore visione di come l'universo si è evoluto.

I ricercatori hanno condiviso l'analisi dei loro primi dati raccolti in diversi articoli che saranno pubblicati oggi sul server di pre-stampa arXiv e nei discorsi al meeting della American Physical Society negli Stati Uniti e alle Rencontres de Moriond in Italia.

"Siamo incredibilmente orgogliosi dei dati, che hanno prodotto risultati cosmologici di livello mondiale e sono i primi a uscire dalla nuova generazione di esperimenti sull'energia oscura," ha detto Michael Levi, direttore del DESI e scienziato presso il Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), che gestisce il progetto.

"Finora, stiamo vedendo un accordo di base con il nostro miglior modello dell'universo, ma stiamo anche vedendo alcune differenze potenzialmente interessanti che potrebbero indicare che l'energia oscura si evolve nel tempo. Queste potrebbero o no scomparire con più dati, quindi siamo entusiasti di iniziare a analizzare presto il nostro dataset di tre anni."

Il nostro modello principale dell'universo è noto come Lambda CDM. Include sia un tipo di materia che interagisce debolmente (materia oscura fredda, o CDM) che l'energia oscura (Lambda). Sia la materia che l'energia oscura influenzano come l'universo si espande, ma in modi opposti. La materia e la materia oscura rallentano l'espansione, mentre l'energia oscura la accelera. La quantità di ciascuno influenza come si evolve il nostro universo. Questo modello descrive bene i risultati degli esperimenti precedenti e come appare l'universo nel tempo.

Tuttavia, quando i risultati del primo anno del DESI sono combinati con i dati di altri studi, ci sono alcune differenze sottili con quello che Lambda CDM prevederebbe. Mentre il DESI raccoglie più informazioni durante la sua indagine di cinque anni, questi primi risultati diventeranno più precisi, facendo luce su se i dati stanno puntando a spiegazioni diverse per i risultati che osserviamo o sulla necessità di aggiornare il nostro modello.

Altri dati miglioreranno anche gli altri primi risultati del DESI, che pesano sulla costante di Hubble (una misura di quanto velocemente si sta espandendo oggi l'universo) e la massa delle particelle chiamate neutrini.

"Nessun esperimento spettroscopico ha mai avuto così tanti dati prima, e continuiamo a raccogliere dati da più di un milione di galassie ogni mese," ha detto Nathalie Palanque-Delabrouille, scienziata del Berkeley Lab e portavoce dell'esperimento.

"È sorprendente che con solo il nostro primo anno di dati, possiamo già misurare la storia dell'espansione del nostro universo in sette diverse fette di tempo cosmico, ciascuna con una precisione dal 1 al 3%. La squadra ha investito una enorme quantità di lavoro per tenere conto delle complessità dell'attrezzatura e della modellazione teorica, il che ci dà fiducia nella robustezza dei nostri primi risultati."

La precisione complessiva del DESI sulla storia dell'espansione in tutti gli 11 miliardi di anni è dello 0,5%, e l'epoca più lontana, che copre 8-11 miliardi di anni nel passato, ha una precisione record dello 0,82%. Questa misura del nostro giovane universo è incredibilmente difficile da fare.

Eppure, in un solo anno, il DESI è diventato due volte più potente nel misurare la storia dell'espansione in questi tempi primordiali rispetto al suo predecessore (il Sloan Digital Sky Survey's BOSS/eBOSS), che ha impiegato più di un decennio.

"Siamo lieti di vedere i risultati cosmologici del primo anno di operazioni del DESI," ha detto Gina Rameika, direttore associato per la fisica delle alte energie presso il DOE. "Il DESI continua a stupirci con le sue prestazioni stellari e sta già modellando la nostra comprensione dell'universo."

Il DESI è una collaborazione internazionale di oltre 900 ricercatori provenienti da oltre 70 istituti in tutto il mondo. Lo strumento si trova sulla cima del telescopio Nicholas U. Mayall da 4 metri della National Science Foundation degli Stati Uniti, presso l'osservatorio nazionale di Kitt Peak, un programma del NOIRLab della NSF.

Osservando la mappa di DESI, è facile vedere la struttura sottostante dell'universo: filamenti di galassie raggruppati insieme, separati da vuoti con meno oggetti. Il nostro universo molto precoce, ben oltre la vista di DESI, era piuttosto diverso: una densa zuppa calda di particelle subatomiche che si muovevano troppo velocemente per formare materia stabile come gli atomi che conosciamo oggi. Tra queste particelle c'erano i nuclei di idrogeno ed elio, chiamati collettivamente baryoni.

Piccole fluttuazioni in questo plasma ionizzato precoce causavano onde di pressione, spostando i baryoni in un modello di increspature che è simile a ciò che vedresti se gettassi una manciata di ghiaia in uno stagno. Mentre l'universo si espandeva e si raffreddava, si formavano atomi neutri e le onde di pressione si fermavano, congelando le increspature in tre dimensioni e aumentando il raggruppamento di future galassie nelle aree dense.

Miliardi di anni dopo, possiamo ancora vedere questo tenue modello di increspature 3D, o bolle, nella caratteristica separazione delle galassie, una caratteristica chiamata Baryon Acoustic Oscillations (BAOs).

I ricercatori utilizzano le misurazioni BAO come un righello cosmico. Misurando la dimensione apparente di queste bolle, possono determinare le distanze alla materia responsabile di questo modello estremamente debole nel cielo. Mappare le bolle BAO sia vicine che lontane permette ai ricercatori di suddividere i dati in blocchi, misurando quanto velocemente l'universo si espandeva in ogni momento del suo passato e modellando come l'energia oscura influisce su quell'espansione.

'Abbiamo misurato la storia dell'espansione su questo enorme range di tempo cosmico con una precisione che supera tutte le precedenti indagini BAO combinate,' ha detto Hee-Jong Seo, professore alla Ohio University e co-leader dell'analisi BAO di DESI. 'Siamo molto entusiasti di scoprire come queste nuove misurazioni miglioreranno e altereranno la nostra comprensione del cosmo. Gli esseri umani hanno un'eterna fascinazione per il nostro universo, volendo sapere sia di cosa è fatto sia cosa gli accadrà.'

Utilizzare le galassie per misurare la storia dell'espansione e comprendere meglio l'energia oscura è una tecnica, ma può arrivare solo fino a un certo punto. A un certo punto, la luce delle galassie tipiche è troppo debole, quindi i ricercatori si rivolgono ai quasar, nuclei galattici estremamente distanti e luminosi con buchi neri al loro centro. La luce dei quasar viene assorbita mentre passa attraverso le nubi intergalattiche di gas, permettendo ai ricercatori di mappare le sacche di materia densa e utilizzarle allo stesso modo in cui usano le galassie, una tecnica conosciuta come l'uso della 'foresta di Lyman-alpha'.

'Usiamo i quasar come retroilluminazione per vedere fondamentalmente l'ombra del gas intercorrente tra i quasar e noi,' ha detto Andreu Font-Ribera, scienziato presso l'Institute for High Energy Physics (IFAE) in Spagna che co-dirige l'analisi della foresta di Lyman-alpha di DESI. 'Ci permette di guardare oltre, quando l'universo era molto giovane. E' una misura davvero difficile da fare, e molto interessante vederla riuscire.'

I ricercatori hanno usato 450.000 quasar, il set più grande mai raccolto per queste misurazioni della foresta di Lyman-alpha, per estendere le loro misurazioni BAO fino a 11 miliardi di anni fa. Alla fine dell'indagine, DESI prevede di mappare 3 milioni di quasar e 37 milioni di galassie.

Scienza all'avanguardia

DESI è il primo esperimento spettroscopico a eseguire un'analisi completamente "cieca", che nasconde il vero risultato agli scienziati per evitare qualsiasi pregiudizio di conferma inconscio. I ricercatori lavorano al buio con dati modificati, scrivendo il codice per analizzare i loro risultati. Una volta che tutto è finalizzato, applicano la loro analisi ai dati originali per rivelare la risposta effettiva.

'Il modo in cui abbiamo svolto l'analisi ci dà fiducia nei nostri risultati, e in particolare nel dimostrare che la foresta di Lyman-alpha è uno strumento potente per misurare l'espansione dell'universo,' ha detto Julien Guy, uno scienziato presso Berkeley Lab e il co-leader per l'elaborazione delle informazioni dagli spettrografi di DESI.

'Il set di dati che stiamo raccogliendo è eccezionale, così come la velocità con cui lo stiamo raccogliendo. Questa è la misura più precisa che abbia mai fatto in vita mia.'

DESI's data will be used to complement future sky surveys such as the Vera C. Rubin Observatory and Nancy Grace Roman Space Telescope, and to prepare for a potential upgrade to DESI (DESI-II) that was recommended in a recent report by the U.S. Particle Physics Project Prioritization Panel.

'Siamo nell'era d'oro della cosmologia, con indagini su larga scala in corso e pronte a essere avviate, e nuove tecniche che vengono sviluppate per sfruttare al meglio questi set di dati,' ha detto Arnaud de Mattia, un ricercatore con la French Alternativa Energies and Atomic Energy Commission (CEA) e co-leader del gruppo di DESI che interpreta i dati cosmologici.

'Siamo tutti davvero motivati a vedere se i nuovi dati confermeranno le caratteristiche che abbiamo visto nel nostro campione del primo anno e costruiranno una migliore comprensione della dinamica del nostro universo.'

Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory