Tutto ciò che conosciamo – galassie, stelle, pianeti, famiglie, amici e persino animali domestici – costituisce solo il 5% dell’Universo. Il restante 95% è costituito da componenti misteriosi che gli scienziati chiamano energia oscura (68%) e materia oscura (27%). Cosa sono e come influenzano la struttura e l’evoluzione dell’Universo? Ricercatori come Andrés Alejandro Plazas Malagón, Rubin Operations Scientist presso lo SLAC National Laboratory e Community Scientist e Calibration Scientist presso l’Osservatorio Rubin, sperano di affrontare queste domande con l’imminente Legacy Survey of Space and Time (LSST), condotto con l’Osservatorio Rubin in Cile. Con la sua immensa copertura del cielo e la capacità di rilevare oggetti deboli, l’LSST di Rubin fornirà agli scienziati l’enorme set di dati necessario per svelare questi e altri misteri dell’Universo.
Negli anni ’70, l’astronoma americana Vera C. Rubin fornì la prova più convincente dell’esistenza di una materia “oscura” invisibile nell’Universo. L’aggettivo “oscura” è dovuto al fatto che è una sostanza nell’Universo che ha massa ma non emette né riflette luce. Questo materiale invisibile costituisce circa l’80% di tutta la materia e le sue proprietà influenzano il modo in cui si evolve l’Universo: come le galassie si formano e crescono e come si raggruppano per formare lunghi filamenti che compongono la struttura che gli scienziati chiamano rete cosmica.
Ma modellare la struttura su larga scala dell’Universo è un braccio di ferro cosmico tra la materia oscura e una forza sfuggente conosciuta come energia oscura. “Si può pensare alla materia oscura come a un tentativo di costruire strutture cosmiche, mentre l’energia oscura in realtà cerca di diluirle e separarle”, afferma Plazas Malagón. La maggior parte degli scienziati ritiene che l’energia oscura guidi l’espansione accelerata dell’Universo e che il suo comportamento sia descritto da una quantità nota come costante cosmologica. Questa spiegazione è comunemente accettata perché è in linea con le prove che abbiamo raccolto finora. Ma, mentre la costante cosmologica è attualmente una parte fondamentale delle equazioni che descrivono l’Universo, i ricercatori stanno ancora cercando di definire il suo valore esatto e se sia davvero la spiegazione dell’energia oscura.
Calcolare la costante cosmologica, e quindi porre vincoli rigorosi alle equazioni che descrivono l’Universo, è uno sforzo all’avanguardia della cosmologia. E Rubin consentirà le misurazioni più precise finora aprendo nuove possibilità per l’utilizzo di un effetto sottile, chiamato lensing gravitazionale debole, per esplorare la complessa interazione tra materia oscura ed energia oscura.
Il lensing debole
I cosmologi utilizzano un lensing debole per dedurre la “aggregazione” della materia osservando come la sua gravità piega la luce. Ma a differenza del lensing gravitazionale forte, che spesso produce archi giganteschi e meravigliosi attorno agli ammassi di galassie, il lensing debole produce effetti meno spettacolari: minuscole distorsioni della luce proveniente da galassie distanti. Sebbene il lensing debole possa verificarsi alla periferia di un sistema di lensing forte, esiste ovunque nell’Universo poiché la luce proveniente dalle galassie di fondo si fa strada attraverso i filamenti delle galassie che collegano gli ammassi di galassie e i superammassi noti come rete cosmica. “Se un lensing forte è come guardare attraverso il fondo di un bicchiere di vino, un lensing debole è come guardare attraverso una grande finestra leggermente deformata”, afferma Theo Shutt, dottorando presso l’Università di Stanford che collabora con Plazas Malagón.
Queste deboli distorsioni delle galassie distanti sono troppo lievi per essere misurate osservando una sola galassia: anche con i dati di migliaia di galassie, gli scienziati non possono dire se le forme osservate delle singole galassie sono le loro vere forme o se sono state distorte dal lensing debole. Per comprendere veramente il quadro generale, hanno bisogno di un grande set di dati per calcolare la distorsione collettiva nell’intero cielo osservabile. L’Osservatorio Rubin, con la sua capacità di osservare enormi porzioni di cielo e allo stesso tempo di vedere galassie molto deboli e distanti, sarà il primo osservatorio nella storia a fornire dati non solo su milioni, ma miliardi di galassie e sulle loro forme.
L’Osservatorio Rubin
Quando sarà online nel 2025, l’Osservatorio Rubin diventerà una risorsa leader per l’astronomia e l’astrofisica all’avanguardia. Utilizzando un telescopio da 8,4 metri dotato della più grande fotocamera digitale al mondo, esplorerà l’intero cielo dell’emisfero meridionale quasi ogni notte per dieci anni, fornendo la visione più completa dell’Universo che abbiamo mai visto. L’Osservatorio Rubin è finanziato congiuntamente dalla National Science Foundation (NSF) e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). Rubin è un programma del NOIRLab della NSF che, insieme allo SLAC National Accelerator Laboratory, gestirà Rubin.
Le indagini attuali, come la Dark Energy Survey, la Hyper Suprime Cam e la Kilo-Degree Survey, stanno già svelando alcuni dei misteri della materia oscura e dell’energia oscura. Ma la fotocamera LSST dell’Osservatorio Rubin ha una visione ad ampio campo e un’alta risoluzione senza pari che offrono agli astronomi e agli astrofisici il meglio di entrambi i mondi. In effetti, l’Osservatorio Rubin è stato progettato fin dall’inizio per aiutare gli scienziati a mappare la materia oscura nell’Universo utilizzando la lente gravitazionale di miliardi di galassie distanti.
“Con il Rubin avremo tutto”, ha detto Plazas Malagón. “Misureremo le proprietà di un numero molto maggiore di galassie rispetto a quelle che abbiamo adesso, il che ci darà la potenza statistica necessaria per utilizzare il lensing debole sia per mappare la distribuzione della materia oscura sia per studiare come l’energia oscura si evolve nel tempo”.
È anche possibile che Rubin produca nuove prove a sostegno di spiegazioni alternative per i fenomeni che osserviamo nel nostro Universo, oltre alle teorie più comuni sulla materia oscura e sull’energia oscura. “L’energia oscura è un concetto che si adatta alla teoria della gravità accettata all’interno della teoria della relatività generale di Einstein”, ha affermato Plazas Malagón, “ma Rubin e l’LSST ci permetteranno anche di esplorare alternative a questo, il che è anche incredibilmente eccitante”.
