Indagine sul lato oscuro dell’Universo

Gli ultimi decenni rappresentano un’epoca ricca di novità e di progressi per la cosmologia. La scoperta dell’espansione accelerata del cosmo, lo studio dettagliato della radiazione cosmica di fondo e le prime mappe dettagliate della distribuzione delle galassie su scala cosmica sono alcuni dei successi più recenti. Queste conquiste hanno rivelato un quadro dettagliato del cosmo, eppure enigmatico. Secondo il modello teorico che raccoglie il maggior consenso nella comunità scientifica, il 95% dell’Universo è composto principalmente di due entità la cui natura fisica è ancora ignota: la materia oscura e l’energia oscura. La materia ordinaria di cui siamo composti noi e tutti gli oggetti che osserviamo costituisce solo una piccola parte (circa il 5%) del contenuto di materia ed energia dell’Universo fisico. La materia oscura è composta probabilmente da particelle elementari non ancora identificate che non interagiscono con la luce ma influenzano la materia ordinaria (e quindi le galassie) solo attraverso la forza gravitazionale. La materia oscura è attualmente l’ipotesi più attendibile per spiegare la dinamica delle galassie e la formazione delle strutture cosmiche a partire dalle piccole fluttuazioni di densità nell’Universo primordiale. Le osservazioni astronomiche suggeriscono che circa l’80% della materia nel cosmo è costituita da questo enigmatico elemento. L’energia oscura fu introdotta per spiegare l’espansione accelerata dell’Universo, attraverso la sua azione repulsiva, capace di contrastare gli effetti dell’attrazione gravitazionale. Ma la sua natura è ancora più misteriosa: non è chiaro se si tratti di una proprietà immutabile dello spazio-tempo (la cosiddetta costante cosmologica) oppure di un nuovo fluido che permea l’intero Universo. L’appellativo “oscura” riflette più la nostra ignoranza sulla sua natura che una sua proprietà fisica. Gli astrofisici hanno ora un nuovo e ambizioso strumento per indagare il lato oscuro dell’Universo: il telescopio spaziale Euclid, che prende il nome dal grande matematico greco Euclide. Vissuto tra il IV e III secolo a.C., fu il fondatore della geometria e uno dei protagonisti della rivoluzione scientifica nel periodo ellenistico. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, la densità di materia e di energia nell’Universo determina la sua geometria. Pertanto, battezzare la missione spaziale con il nome di Euclide è stata una scelta naturale.

COME È FATTO EUCLID

Il telescopio ha uno specchio primario di 1,2 metri di diametro per osservazioni nel visibile e vicino infrarosso. Al piano focale ci sono due strumenti: una fotocamera per le lunghezze d’onda visibili (lo strumento VISible, Vis) e una per il vicino infrarosso (il Near infrared spectrometer and photometer, Nisp) in grado di catturare immagini e spettri a bassa risoluzione. Vis e Nisp funzionano in parallelo, registrando dati in contemporanea dalle regioni del cielo verso cui è puntato il telescopio. Apparentemente, Euclid è un telescopio minore rispetto al James Webb Space Telescope (Jwst) della Nasa, ma ha un obiettivo e una strategia ben diversi. Il Jwst ha un piccolo angolo di vista e permette di fare osservazioni dettagliate ad alta risoluzione su singoli corpi celesti. Euclid, invece, è progettato per osservare ampie regioni di cielo, che racchiudono migliaia di galassie alla volta. In particolare, lo strumento ottico Vis permetterà di misurare la morfologia delle galassie con una risoluzione media di circa 0,23 arcosecondi. Nisp può funzionare nelle modalità imaging e spettroscopica, misurando il redshift (ossia lo spostamento verso il rosso determinato dall’espansione dell’Universo) e quindi la distanza delle galassie. Euclid è partito il 1° luglio 2023 con un razzo Falcon 9 della compagnia SpaceX dalla base di Cape Canaveral in Florida. Dopo circa un mese, è giunto nella sua destinazione finale, il punto lagrangiano 2 (L2), un punto di equilibrio gravitazionale sul lato in ombra della Terra, a circa 1,5 milioni di chilometri di distanza da noi. L’orbita in L2 fornisce un punto di osservazione gravitazionalmente stabile. In quel punto, inoltre, il telescopio è facilmente protetto dal calore della Terra e del Sole.

LA SCIENZA

La materia oscura e l’energia oscura non possono essere osservate direttamente. Euclid impiegherà due diverse tecniche per svelarne gli effetti sulla materia osservabile. Innanzitutto, le osservazioni di Euclid permetteranno di svelare l’architettura del cosmo tracciando una mappa tridimensionale dell’Universo ed esplorando una regione dello spazio-tempo che comprende oltre un miliardo di galassie, fino ad epoche lontane dieci miliardi di anni nel passato (dato che più guardiamo lontano nello spazio più viaggiamo indietro nel tempo). Questa mappa mostrerà l’evoluzione nel tempo della struttura su larga scala, svelando il ruolo giocato dall’energia oscura. Il modo in cui le galassie si raggruppano è legato alle fluttuazioni della densità della materia primordiale, osservabile nella radiazione cosmica di fondo, la radiazione emessa circa quattrocentomila anni dopo il Big Bang. Confrontando queste fluttuazioni con la distribuzione delle galassie in epoche successive, si può capire come l’energia oscura sia cambiata nel tempo, perché la sua azione repulsiva agisce contro la gravità che causa la formazione di gruppi di galassie. Per indagare la materia oscura, gli astronomi useranno la tecnica nota come lensing gravitazionale debole. La gravità della materia oscura diffusa nell’Universo crea delle lenti gravitazionali che modificano la curvatura dello spazio e le traiettorie dei raggi luminosi provenienti dalle galassie lontane. In alcuni casi queste distorsioni sono spettacolari, con archi e immagini multiple. Nella maggior parte dei casi sono piccole e non individuabili singolarmente, ma solo attraverso l’analisi statistica delle immagini di un grande numero di galassie lontane. Misurando la deformazione delle immagini, è possibile dedurre la distribuzione della materia oscura presente lungo la linea di vista. Durante i sei anni previsti per la durata della missione, Euclid raccoglierà immagini e spettri da circa quindicimila gradi quadrati di cielo, ovvero circa un terzo dell’intera volta celeste e analizzerà le proprietà di oltre un miliardo di galassie. Le immagini saranno almeno quattro volte più nitide di quelle ottenute da telescopi simili da terra. La dimostrazione dell’efficacia del nuovo telescopio si è avuta già dalle immagini della cosiddetta “prima luce”. Euclid ha “aperto gli occhi” pochi giorni dopo il suo arrivo in L2 e ha inviato immagini di test definite “ipnotizzanti” per la loro ampiezza e nitidezza. Le immagini scientifiche e i primi spettri arriveranno nelle prossime settimane, a un ritmo di circa cento gigabyte al giorno.

IL CONSORZIO EUCLID

Euclid è una missione interamente europea, progettata e costruita dall’ESA, l’Agenzia Spaziale Europea, con il contributo della NASA, che ha sviluppato i rivelatori per NISP. La missione è nata dalla fusione di due proposte in risposta al bando “Cosmic Vision 2015-2025”, pubblicato nel marzo 2007: DUNE (Dark Universe Explorer) e SPACE (Spectroscopic All-Sky Cosmic Explorer). Le due proposte, che sfruttavano approcci complementari per studiare l’energia oscura, sono state unite in un’unica missione, Euclid, approvata nel giugno 2012. Il Consorzio Euclid è composto da circa 2.500 scienziati e ingegneri di oltre 15 Paesi, tra cui Europa, Stati Uniti, Canada e Giappone, con una numerosa componente italiana. Nel progetto sono infatti coinvolti oltre duecento ricercatori italiani, provenienti dall’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica), da numerose università e dall’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). Insieme alla Francia, l’Italia è uno dei maggiori partner del consorzio: al nostro Paese fa capo circa un quarto dell’impegno totale necessario, dalla costruzione allo sfruttamento scientifico dei dati. I ricercatori italiani, inoltre, hanno l’importante compito di guidare l’intero segmento scientifico a terra, coordinando l’analisi dei dati della missione. Euclid costituirà un archivio di dati unici, senza precedenti per volume in una missione spaziale, “una miniera d’oro per tutti i campi dell’astronomia per diversi decenni”, ha dichiarato Yannick Mellier, astronomo presso l’Institut d’Astrophysique de Paris e responsabile del consorzio. Non ci resta altro che attendere che finalmente venga fatta luce sul lato oscuro dell’Universo.