Rappresentazione artistica dei tre precursori di SKA, ASKAP, MeerKAT e MWA. Utilizzando una tecnica conosciuta come interferometria saranno in grado di combinare i dati per creare un’immagine che sarebbe la stessa che si otterrebbe con un unico strumento molto più grande. Crediti: SKA Organisation
Un folto gruppo di ricercatori provenienti da diversi paesi in tutto il mondo sta costruendo le fondamenta di un progetto che sembra destinato a produrre risultati davvero straordinari: realizzare la più estesa e dettagliata mappa dell’Universo utilizzando quello che fra qualche anno sarà il network di radiotelescopi più grande al mondo. Si tratta dello Square Kilometre Array (SKA), di cui abbiamo già parlato ampiamente su Media INAF, che conterà migliaia e migliaia di ricevitori radio, antenne, dischi sparsi tra Sudafrica e Australia a cui stanno lavorando esperti, ingegneri, scienziati e industrie di tutto il mondo.
In questi giorni un grande numero di lavori del gruppo SKA che si occupa di cosmologia è stato pubblicato su ArXiv per descrivere al mondo accademico tutte le idee, i progetti e e le ipotesi per cui verrà utilizzata questa immensa schiera di radiotelescopi, che avranno un’ area di raccolta di ben 1 chilometro quadrato. I documenti in corso di pubblicazione sono parte di una più ampia serie di circa 130 documenti che coprono tutti gli argomenti scientifici del progetto, come le pulsar, il magnetismo cosmico, le prime fasi dell’Universo e la ricerca di vita oltre il nostro pianeta.
Gli esperti hanno affermato che la chiave per la mappatura del cosmo è rilevare la debole emissione radio dell’idrogeno, l’elemento più comune dell’Universo. «Lo vediamo ovunque – ha detto Phil Bull, ricercatore presso l’Università di Oslo in Norvegia – e questo lo rende ideale per aiutarci a capire come la materia è distribuita in tutto lo spazio». Parliamo ovviamente anche della misteriosa materia oscura, che è completamente invisibile ai telescopi, ma può essere rilevata attraverso la sua attrazione gravitazionale su altri oggetti, come le galassie contenenti idrogeno, appunto.
Tradizionalmente per mappare la posizione delle galassie si usa proprio la debole emissione radio dell’idrogeno e le si osserva abbastanza a lungo da misurare le loro proprietà, come la distanza dalla Terra. «Se ci sono più galassie nel campo di vista si ottiene una serie di picchi a varie lunghezze d’onda, proporzionali alla loro distanza, e quindi si trovano numerosi punti (galassie) che delineano una distribuzione in 3D nel cielo», ha spiegato a Media INAF Roberto Scaramella, ricercatore presso l’INAF – Osservatorio Astronomico di Roma. All’inizio degli anni 2020 inizieranno ufficialmente le osservazioni con le antenne di SKA e verso il 2030 i ricercatori sperano di avere trovato già miliardi di galassie (e pensate che finora la più importante survey in questo campo ha mappato la posizione solo di circa un milione di galassie). Un’interessante opzione alternativa sviluppata dai ricercatori che lavorano allo Square Kilometre Array è quella di effettuare una rapida scansione del cielo con i radiotelescopi sacrificando la precisione nei dati analizzando, però, un’area molto più grande in un breve periodo di tempo. «Questo potrebbe darci una mappa a bassa risoluzione», ha detto Mario Santos, dell’Università di Western Cape, «ma questo è già sufficiente per iniziare a rispondere ad alcuni seri interrogativi circa la geometria dell’Universo e la natura della gravità». I risultati di questo tipo di indagine potrebbe essere pronti già nel 2025.
Le antenne Low Frequency Aperture Array in Western Australia. Crediti: INAF
Scaramella ha aggiunto: «SKA è un complesso progetto di rilevanza mondiale che consentirà enormi sviluppi in campo radioastronomico, grazie alla grande area collettrice prevista – che consentirà di captare segnali molto deboli -, alla varietà di antenne e alla loro distanza che consentono una grande risoluzione angolare». Il ricercatore dell’Osservatorio di Roma ha sottolineato che «uno degli aspetti innovativi è dato dal poter accedere a nuove frequenze e quindi al poter effettuare studi sull’Idrogeno neutro (HI), il quale ha una riga caratteristica a 21cm, fino a distanze di interesse cosmologico. In pratica si potranno misurare le distanze e caratteristiche di centinaia di milioni delle galassie che contengono molto HI».
«Lo scopo principale è – ha aggiunto – quello di studiare le disposizione spaziale delle galassie, la cosiddetta “struttura a larga scala” [LSS], e la sua evoluzione temporale tramite misure statistiche (funzioni di correzioni spaziali, aspetti topologici). Le caratteristiche e l’evoluzione della LSS sono guidate infatti dalla gravità e dalle condizioni iniziali. Queste ultime sono studiate tramite il fondo cosmico a microonde, mentre e gli effetti gravitazionali sono dominati dalla “materia oscura” e della “energia oscura” (oscure perché entrambe non interagiscono con la luce). Gli effetti di quest’ultima – una possibile spiegazione della espansione accelerata dell’Universo osservata una quindicina di anni fa tramite lo studio delle Supernovae ad alto redshift – sono massimi ai bassi redshift. Quindi moltissimi progetti osservativi in cosmologia hanno per oggetto l’acquisizione di informazioni per un enorme numero di galassie. Finora questi studi cercano informazioni derivate da misure in banda ottica o vicino infrarosso da terra tramite spettroscopi multioggetto (es. VIMOS ad ESO, vedi la recente survey VIPERS, guidata dall’Osservatorio di Brera) da futuri telescopi dedicati (in USA il Large Survey Synoptic Telescope, LSST) o dallo spazio con la prossima missione ESA Euclid, che nuovamente vede l’Italia tra i capofila. Ora si aggiungerà SKA, con il vantaggio di impiegare tecniche diverse e quindi avere diversa origine per incertezze sperimentali. La complementarietà dei mezzi quindi consentirà opportuni confronti dei risultati e maggior fiducia in essi, cosa cruciale data la difficoltà delle misure e quella dell’interpretazione a causa dei molti disturbi di cui tenere conto».
«L’uso di fonti di metodi di acquisizione dei dati diversi contribuirà enormemente a controllare e domare le possibili fonti di incertezza, specialmente quelle sistematiche», ha detto Scaramella. «L’Italia – ha spiegato – è in prima fila tra i partecipanti al progetto SKA anche grazie alle acclarate competenze e tradizioni nel campo radio, concentrate all’Istituto di Radioastronomia di Bologna e all’Osservatorio di Cagliari e che consentono di gestire le grandi antenne di Medicina, Noto e quella nuovissima in Sardegna (il Sardinia Radio Telescope, SRT)». La comunità Italiana ha recentemente prodotto un volume che racchiude i suoi interessi scientifici nel progetto SKA (CLICCA QUI) .
Alcuni dei più grandi interrogativi in ambito astronomico riguardano proprio la materia e l’energia oscura. Alvise Raccanelli, dalla Johns Hopkins University (Stati Uniti): «SKA consentirà di effettuare indagini sempre più precise sull’energia oscura. Utilizzando mappe 3D della distribuzione delle galassie possiamo anche testare la teoria della Relatività Generale di Einstein, meglio di ogni esperimento presentato finora», ha aggiunto. Ed è proprio la teoria di Einstein un’altra priorità assoluta per i cosmologi. «Questo farà luce sul fatto che vi sia una quinta forza della natura», ha spigato Zhao Gongbo dei National Astronomical Observatories della Cina. Questi risultati apriranno la strada anche per l’indagine di cosa sia davvero successo nei primi momenti dopo il Big Bang. «Quello che succede a questa scala di distanze ci dice qualcosa in più su come il neonato Universo si comportava quando aveva solo una piccola frazione di secondo», ha dichiarato Stefano Camera, ricercatore presso il Jodrell Bank Centre for Astrophysics dell’Università di Manchester. Le misure permetteranno ai ricercatori di analizzare più da vicino l’inflazione cosmica, il processo che si ritiene abbia distribuito i semi di strutture come le galassie e superammassi che vediamo oggi.
Scaramella ha detto ancora: «Lo scopo finale è misurare le sottili differenze predette dai possibili modelli che cercano di spiegare il fenomeno dell’espansione accelerata. Infatti invece che dalla presenza di una “energia oscura” l’espansione accelerata potrebbe essere invece dovuta a modifiche della Relatività Generale, teoria della quale proprio quest’anno cade il centenario. Il poter capire se esiste una ulteriore (e ignota) componente che domina gravitazionalmente l’Universo, ovvero se questa non esiste ma è sono le stesse leggi della gravitazione a dover essere modificate, è ovviamente di estremo interesse e SKA promette di essere uno dei maggiori strumenti con cui perseguire questa ricerca fondamentale».
Secondo gli scienziati, non è solo cercando nel passato che riusciamo a capire come funziona l’Universo. «Osservando un miliardo di galassie in due date diverse, a dieci anni di distanza, SKA sarà in grado di misurare l’espansione dell’Universo direttamente», ha sottolineato Hans-Rainer Klöckner del Max-Planck Institute for Radioastronomy in Germania.
Con SKA, oltre a creare una mappa 3D, si creerà anche una mappa bidimensionale usando le emissioni delle onde radio delle galassie: ce ne saranno milioni nella Fase 1 e miliardi nella Fase 2 e ciò permetterà agli astronomi di verificare la forma dell’Universo. La mappe 2D forniranno alla comunità scientifica un nuovo modo di studiare come i raggi luce vengono piegati dalla gravità (weak lensing). «Misurando piccole distorsioni nella forma delle galassie viste da SKA speriamo di seguire l’evoluzione delle strutture nella materia oscura nel corso del tempo cosmico», ha detto Ian Harrison, anche lui ricercatore presso l’Università di Manchester.
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