Un esempio di supernova scoperta dalla Dark Energy Survey nel campo coperto da uno dei singoli rivelatori della Dark Energy Camera. La supernova è esplosa in una galassia a spirale con redshift 0,04528 che corrisponde a un tempo di viaggio della luce di circa 0,6 miliardi di anni. In confronto, il quasar sulla destra ha un redshift di 3,979 e un tempo di viaggio della luce di 11,5 miliardi di anni. Crediti: Collaborazione Des/NoirLab/Nsf/Aura/M. Zamani
Nel 1998 due gruppi distinti di astrofisici, utilizzando i telescopi dell’Osservatorio di Cerro Tololo (Ctio) e dell’Osservatorio nazionale di Kitt Peak della National Science Foundation (Nsf) degli Stati Uniti, entrambi programmi del NoirLab della Nsf, hanno scoperto che l’universo si sta espandendo a un ritmo accelerato. Questo fenomeno è attribuito a una misteriosa entità chiamata energia oscura che costituisce circa il 70% dell’universo. La scoperta è stata una sorpresa per gli astrofisici che, all’epoca, si aspettavano un rallentamento dell’espansione dell’universo.
Questa scoperta rivoluzionaria è stata ottenuta grazie alle osservazioni di una particolare classe di stelle che esplodono, chiamate supernove di tipo Ia, ed è stata premiata con il Premio Nobel per la Fisica nel 2011.
Ora, 25 anni dopo la scoperta, gli scienziati che lavorano alla Dark Energy Survey (Des) hanno reso noti i risultati di un’analisi senza precedenti che utilizza la stessa tecnica per sondare i misteri dell’energia oscura e porre i vincoli più stringenti di sempre sulla storia dell’espansione dell’universo. In una presentazione al 243° meeting dell’American Astronomical Society tenutasi l’8 gennaio 2024, e in un articolo sottomesso su Astrophysical Journal, gli astrofisici riportano risultati coerenti con il modello cosmologico standard di un universo in espansione accelerata, ma non tali da escludere un modello forse più complesso.
Il Des è una collaborazione internazionale che comprende più di 400 scienziati di oltre 25 istituzioni, guidata dal Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, che per le sue indagini utilizza la Dark Energy Camera (DeCam), una fotocamera digitale da 570 megapixel costruita dal Fermilab e montata sul telescopio Víctor M. Blanco del Ctio, in Cile. Grazie all’acquisizione di dati avvenuta durante 758 notti nell’arco di sei anni, gli scienziati del Des hanno mappato un’area pari a quasi un ottavo dell’intero cielo.
La storia dell’espansione dell’universo può essere tracciata confrontando le velocità di recessione (redshift) con le distanze determinate per ogni supernova. Il risultato della Dark Energy Survey mostra che l’espansione è stata accelerata con il tempo cosmico, la firma dell’energia oscura. Crediti: Collaborazione Des
Tra le osservazioni di circa due milioni di galassie lontane, gli scienziati hanno trovato diverse migliaia di supernove, rendendo questo campione il più grande e profondo mai ottenuto da un singolo telescopio. I ricercatori del Des hanno poi utilizzato tecniche avanzate di apprendimento automatico per classificare tali supernove e setacciare il campione in un set di dati uniforme di alta qualità con 1499 probabili supernove di tipo Ia, triplicando così il numero di supernove Ia osservate oltre un redshift di 0,2 e quintuplicando il numero oltre un redshift di 0,5. «Si tratta di un aumento davvero imponente rispetto a 25 anni fa, quando per dedurre l’energia oscura si utilizzavano solo 52 supernove», dichiara Tamara Davis, docente presso l’Università del Queensland in Australia. Questo ampio campione di supernove, che copre una vasta gamma di distanze, può essere utilizzato per tracciare la storia dell’espansione cosmica. Per ogni supernova, gli scienziati del Des correlano la sua distanza con la misura del suo redshift, ossia la velocità con cui si allontana dalla Terra a causa dell’espansione dell’universo. Insieme, questi due fattori permettono di capire se la densità di energia oscura nell’universo è rimasta costante o è cambiata nel tempo.
«Quando l’universo si espande, la densità di materia diminuisce», spiega il direttore e portavoce del Des Rich Kron, scienziato del Fermilab e dell’Università di Chicago. «Ma se la densità di energia oscura è costante, significa che la percentuale totale di energia oscura deve aumentare con l’aumentare del volume».
Il Modello cosmologico standard, noto come ΛCDM, descrive l’evoluzione dell’universo utilizzando solo alcune caratteristiche come la densità della materia, il tipo di materia e il comportamento dell’energia oscura. Mentre il ΛCDM presuppone che la densità dell’energia oscura nell’universo sia costante nel tempo e non diminuisca con l’espansione dell’universo, i risultati della Des Supernova Survey suggeriscono che ciò potrebbe non essere vero.
Redshift è il termine usato per descrivere l’allungamento delle lunghezze d’onda della luce di un oggetto come risultato dell’espansione dell’universo; maggiore è la distanza dell’oggetto, maggiore è il redshift. La storia dettagliata dell’espansione dell’universo è determinata da una relazione precisa tra le distanze delle galassie – o delle supernove – e i loro redshift. Crediti: Collaborazione Des
I risultati sono stati ottenuti combinando i dati Des con quelli complementari del telescopio Planck dell’Agenzia Spaziale Europea. Un risultato intrigante di questa indagine è che per la prima volta è stato misurato un numero sufficiente di supernove lontane per effettuare una misurazione altamente dettagliata della fase di decelerazione dell’universo e per vedere dove l’universo passa dalla decelerazione all’accelerazione. I risultati sono coerenti con l’ipotesi di una energia oscura a densità constante nell’universo, ma lasciano aperta una strada alla sua eventuale variazione nel tempo.
Le tecniche innovative di cui il Des è stato pioniere daranno forma e impulso alle future analisi astrofisiche. Progetti come l’imminente Legacy Survey of Space and Time (Lsst) – che sarà condotto dal Vera C. Rubin Observatory, gestito congiuntamente dal NoirLab della Nsf e dallo Slac National Accelerator Laboratory del Doe – nonché il Nancy Grace Roman Space Telescope della Nasa, riprenderanno da dove il Des ha lasciato. «Stiamo sperimentando tecniche che saranno direttamente utili per la prossima generazione di survey sulle supernove», dichiara Kron.
«Questo risultato dimostra chiaramente il valore dei progetti di survey astronomiche che continuano a produrre scienza eccellente anche dopo la fine della raccolta dei dati», conclude Nigel Sharp, direttore del programma della Divisione Scienze Astronomiche della Nsf. «Abbiamo bisogno del maggior numero possibile di approcci diversi per capire cosa sia e cosa non sia l’energia oscura. Questa è una strada importante per la comprensione».
Per saperne di più:
- Leggi su arXiv il pre-print dell’articolo “The Dark Energy Survey: Cosmology Results With ~1500 New High-redshift Type Ia Supernovae Using The Full 5-year Dataset” della Collaborazione Des
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