Ricercatori del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), dell’University of Tokyo e di altri istituti hanno iniziato una survey del cielo per studiare la distribuzione della materia oscura utilizzando la Hyper Suprime-Cam, una nuova camera a largo campo installata presso il telescopio Subaru situato nelle Hawaii. I primi risultati delle osservazioni, che coprono un’area di 2,3 gradi quadrati verso la costellazione del Cancro, hanno rivelato ben 9 concentrazioni di materia oscura, ognuna avente una massa tipica di un ammasso di galassie. Analizzare come è distribuita spazialmente la materia oscura e come essa varia nel tempo è essenziale per comprendere il ruolo dell’energia oscura che controlla l’espansione dell’Universo. Inoltre, questi dati dimostrano il fatto che ora gli astronomi possiedono la tecnologia e gli strumenti più consoni per studiare l’energia oscura. Il passo successivo sarà quello di ampliare la survey per coprire almeno un migliaio di gradi quadrati di cielo in modo da ricavare ulteriori dati allo scopo di svelare il mistero dell’energia oscura e, quindi, dell’espansione cosmica.
Un’immagine della Hyper Suprime-Cam (14 minuti d’arco X 9,5 minuti d’arco). I contorni indicano la distribuzione della materia oscura. Credit: NAOJ/HSC Project
Mappare la distribuzione spaziale della materia oscura su vaste regioni di cielo è di fondamentale importanza per capire ancora più in dettaglio le proprietà dell’energia oscura, quella enigmatica componente che sta determinando l’espansione accelerata dell’Universo. Di fatto, questi risultati preliminari stanno dimostrando che con le attuali tecniche di ricerca e con la Hyper Suprime-Cam è possible esplorare la distribuzione spaziale della materia oscura e come essa è evoluta nel corso del tempo, svelare il mistero dell’energia oscura e quindi monitorare la storia dell’espansione cosmica con dettagli senza precedenti.
Dal 1929, quando Edwin Hubble scoprì l’espansione dell’Universo, gli astronomi hanno iniziato ad utilizzare un modello cosmologico che indicava un tasso di espansione dello spazio in rallentamento nel corso del tempo. Sappiamo che la gravità, fino a qualche tempo fa considerata l’unica forza nota che agisce tra le galassie, si oppone all’espansione. Ma negli anni ’90, le osservazioni delle supernovae Ia distanti mostrarono che l’Universo si espande più rapidamente oggi rispetto al passato. Questa scoperta richiedeva l’introduzione di un nuovo concetto fisico: o c’è qualche forma di “energia oscura” di natura repulsiva, che tende a far allontanare le galassie, oppure la fisica della gravità richiede qualche revisione a livello più fondamentale.
Dunque per svelare il mistero dell’espansione accelerata, è importante analizzare la relazione tra il tasso di espansione dell’Universo e quello a cui si formano gli oggetti astrofisici. Ad esempio, se l’Universo si espande rapidamente, occorrerà più tempo alla materia per collassare e formare le galassie. Al contrario, se l’Universo si espande più lentamente, le strutture cosmiche si formeranno più facilmente. In effetti, esiste una relazione diretta tra la storia della formazione delle strutture e la storia dell’espansione cosmica. Il problema è che la maggior parte della materia presente nell’Universo è davvero “oscura”, non emette luce e perciò non può essere rivelata direttamente dai telescopi.
Una tecnica che permette di superare questa problematica si basa sull’effetto “debole” della lente gravitazionale o “weak lensing”. Una concentrazione di materia oscura agisce come una sorta di “lente cosmica” che devia i raggi luminosi provenienti dagli oggetti più distanti. Ora, osservando la deformazione degli oggetti distanti causata dall’effetto della lente gravitazionale, è possibile determinare la distribuzione spaziale della materia oscura interposta lungo la linea di vista. Questa analisi degli effetti prodotti dalla materia oscura permette ai ricercatori di determinare come si è addensata nel corso del tempo. Il processo di aggregazione della materia oscura può essere correlato con la storia dell’espansione cosmica e potrebbe rivelarci alcune proprietà fisiche dell’energia oscura, la sua forza ed evoluzione nel corso del tempo.
Per ottenere una quantità sufficiente di dati, gli astronomi devono osservare galassie che si trovano almeno a più di un miliardo di anni luce e che sono distribuite spazialmente in un’area di cielo più grande di un migliaio di gradi quadrati (circa 1/40 dell’intera volta celeste). La combinazione realizzata mettendo insieme il telescopio Subaru, con il suo diametro di apertura di 8,2 metri, e la Suprime-Cam, la camera precedente rispetto a quella nuova, che ha un campo di vista pari a 1/10 di grado quadrato (circa le dimensioni sottese dalla Luna piena), ha rappresentato uno dei successi tecnologici più significativi nel campo della ricerca di oggetti deboli e distanti. Ad ogni modo, anche nel caso di questa potente combinazione strumentale, esplorare un migliaio di gradi quadrati di cielo ad una determinata profondità non è molto realistico. «Questa è la ragione per cui abbiamo trascorso dieci anni per sviluppare la Hyper Suprime-Cam, che ha una qualità d’immagine superiore alla Suprime-Cam e un campo di vista oltre sette volte più grande», spiega Satoshi Miyazaki del National Astronomical Observatory of Japan’s Advanced Technology Center, investigatore principale del gruppo di ricerca e autore principale dello studio pubblicato su Astrophysical Journal.
La Hyper Suprime-Cam al fuoco primario del telescopio Subaru. Credit: NAOJ/HSC Project
La Hyper Suprime-Cam è stata installata al telescopio Subaru nel 2012. Dopo i primi test, a partire da Marzo 2014 è stata resa di pubblico accesso alla comunità astronomica. Attualmente, è in corso un programma di osservazione “strategico”, costituito da più di 300 notti di osservazione pianificate in un periodo di 5 anni. La camera, dotata di 870 milioni di pixel, fornisce immagini che coprono un’area di cielo paragonabile a quella sottesa da 9 lune piene per una singola esposizione, con una distorsione estremamente minima e con una risoluzione di 7/1000 di grado (0,5 secondi d’arco).
I ricercatori hanno analizzato i dati preliminari forniti dalla Hyper Suprime-Cam per verificare il suo potere esplorativo nel mappare la distribuzione della materia oscura con la tecnica del “weak lensing”. I dati raccolti da un’area di cielo che copre 2,3 gradi quadrati, considerando una esposizione di circa due ore, hanno fornito una serie di immagini nitide di numerose galassie. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di costruire una mappa della distribuzione spaziale di materia oscura. I risultati delle osservazioni hanno portato alla scoperta di ben nove regioni dove la densità della materia oscura risulta elevata. Inoltre, per ciascuna di queste nove regioni si stima una massa equivalente tipica di un ammasso di galassie. L’attendibilità della tecnica del “weak lensing”, e quindi delle mappe risultanti della distribuzione della materia oscura, sono state confermate anche dalle osservazioni realizzate con altri telescopi che mostrano veri e propri ammassi di galassie in corrispondenza delle nove regioni a densità elevata identificate dalla Hyper Suprime-Cam. Per l’identificazione ottica degli ammassi, gli astronomi hanno utilizzato l’archivio Deep Lens Survey.
I dati mostrano chiari eccessi di concentrazione di materia oscura rispetto alle previsioni teoriche. A destra: le concentrazioni di materia oscura identificate dalla Hyper Suprime-Cam. A sinistra, le previsioni fornite dagli attuali modelli. Credit: NAOJ/HSC Project
Il numero degli ammassi di galassie trovati dalla Hyper Suprime-Cam supera quello derivato dalle previsioni degli attuali modelli che descrivono la storia cosmica primordiale dell’Universo. Quindi, man mano che la mappa sarà estesa fino a coprire almeno un migliaio di gradi quadrati, i dati dovrebbero rivelare se questo eccesso sia davvero reale o se invece si tratta di un artefatto strumentale. Se l’eccesso sarà confermato attendibile, la conclusione potrebbe essere che nel passato non c’è stata così tanta energia oscura come ci si aspetta, il che ha permesso all’Universo di espandersi dolcemente e alle stelle e alle galassie di formarsi rapidamente.
Insomma, utilizzare la tecnica del “weak lensing” per mappare la distribuzione della materia oscura è anche un modo per scoprire oggetti astronomici utilizzando la loro massa, sapere che esiste “qualcosa” e quanto pesa allo stesso tempo. Essa fornisce una misura diretta della massa che non è possibile ricavare con altri metodi. Perciò, le mappe che permettono di misurare la massa della distribuzione della materia oscura rappresentano uno strumento essenziale per comprendere in maniera più precisa e dettagliata la storia dell’espansione dell’Universo.
The Astrophysical Journal: S. Miyazaki et al., 2015 – Properties of Weak Lensing Clusters Detected on Hyper Suprime-Cam 2.3 Square Degree Field
arXiv: Properties of Weak Lensing Clusters Detected on Hyper Suprime-Cam 2.3 Square Degree Field