Nei suoi primi istanti, dopo il Big Bang, l’universo era una zuppa molto densa e molto calda di particelle elementari, quello che i fisici chiamano plasma. In quel momento agivano due forze opposte. Da un lato la pressione, che cercava di separare le particelle. D’altra parte, la gravità, che cercava di unirli. Questo tiro alla fune cosmico produsse onde di densità, o acustiche, che si propagarono nel plasma. Quelli sono i suoni dell’universo primordiale.
Ora siamo in grado di misurare l’impronta di quelle onde sonore nell’universo risalenti a 7 miliardi di anni fa e offrono indizi sull’energia oscura.
Le onde sonore si congelarono
Le onde acustiche viaggiavano attraverso il cosmo mentre si espandeva e si raffreddava. Circa 400.000 anni dopo il Big Bang il plasma si era raffreddato così tanto che iniziarono a formarsi atomi neutri e le onde sonore si fermarono. Ma hanno lasciato un segno nella distribuzione della materia. Questa impronta, sorprendentemente, si osserva oggi, e possiamo misurarla, nella distribuzione delle galassie.
I cosmologi chiamano questa distanza scala delle Oscillazioni Acustiche Barioniche (BAO). Questa scala permette anche qualcosa di molto interessante: misurare l’energia oscura nella distribuzione delle galassie.
Un metro cosmico
La distanza che l’onda sonora ha percorso nel plasma primordiale può essere calcolata con grande precisione e ci fornisce un metro di misura per l’universo. Un metro lungo circa 489 milioni di anni luce. È gigantesco, ed è per questo che è molto adatto per misurare le distanze cosmiche. È l’esempio più importante di ciò che gli cosmologi chiamano una regola standard.
Infatti, l’universo è così enorme che la luce delle galassie impiega miliardi di anni per arrivare agli osservatori terrestri. Pertanto, rileviamo le galassie distanti così come erano quando la luce è uscita da esse, e così vediamo la storia dell’universo primordiale.
Osservando la scala delle oscillazioni acustiche (BAO) a diverse distanze (diverse epoche dell’universo) possiamo conoscere l’evoluzione dell’espansione cosmica, e con essa le proprietà del settore oscuro: la materia oscura e l’energia oscura.
Il DES ha misurato le galassie nell’universo a partire da 7 miliardi di anni fa
Il Dark Energy Survey (DES) ha appena pubblicato una nuova misurazione della scala BAO nell’universo di 7 miliardi di anni fa. Questo è più o meno la metà della sua età. La misura ha una grande precisione (2%). È la più precisa mai realizzata in un’epoca così precoce dell’universo.
DES è un grande progetto internazionale a cui partecipano più di 400 scienziati provenienti da 7 paesi. Il team scientifico internazionale del DES ha progettato e installato una delle più grandi telecamere al mondo presso il telescopio Blanco in Cile. Con i suoi 500 milioni di pixel è in grado di riprendere immagini di oggetti estremamente distanti.
400 milioni di galassie
Il progetto DES è appositamente progettato per studiare l’energia oscura scattando immagini molto profonde dell’universo. Ha fotografato un ottavo del cielo dell’emisfero australe. In queste immagini vengono identificate più di 400 milioni di galassie, oltre a molti altri oggetti celesti. Ha raccolto dati dal 2013 al 2019 ed è ora entrato nella fase finale della sua analisi scientifica. Il DES utilizza diversi metodi indipendenti per studiare l’energia oscura. Uno di questi è la misurazione della scala BAO.
Per misurare la scala BAO sono state selezionate 16 milioni di galassie, scelte appositamente per determinare con precisione la distanza a cui si trovano. La luce emessa circa 7 miliardi di anni fa ora raggiunge la telecamera DES, permettendole di osservare l’antico universo. E osserva che, infatti, le galassie hanno una maggiore tendenza a separarsi tra loro di un angolo di 2,90 gradi nel cielo. Questo è il segnale della scala BAO, la testimonianza di quei segnali acustici che hanno lasciato il segno nella distribuzione delle galassie.
Questa scala può essere determinata anche nel cosmo primordiale, utilizzando la luce più antica dell’universo, la radiazione di fondo a microonde. Questa radiazione risale al momento in cui si sono formati gli atomi e l’onda sonora si è fermata, circa 400.000 anni dopo il Big Bang.
Un test molto impegnativo per la teoria del Big Bang
Il confronto tra il risultato ottenuto nella radiazione di fondo e quello ottenuto mediante la mappatura delle galassie è uno dei test più impegnativi a cui può essere sottoposta la teoria del Big Bang. In questo confronto, il risultato del DES risulta essere superiore del 4% rispetto a quello che ci si aspetterebbe in base alla radiazione di fondo, misurata dal satellite Planck nel 2018, sebbene sia in buon accordo con le misurazioni precedenti di altri mappatori di galassie, come BOSS e la sua estensione eBOSS.
Tutte queste misurazioni sono in accordo con la teoria del Big Bang e con l’energia oscura sotto forma di costante cosmologica, ma è necessario acquisire più dati per confermare se quella piccola differenza del 4% è reale o una semplice fluttuazione statistica.
Il prossimo passo sarà combinare questo risultato con altre tecniche per lo studio dell’energia oscura nel DES, che saranno ottenute nel corso di quest’anno. Inoltre, ci sono altri progetti che pubblicheranno i loro risultati nel corso del 2024, come DESI, appositamente progettato per misurare la scala BAO con enorme precisione lungo tutta la storia dell’universo.
Se ci sono nuove scoperte nella fisica cosmica, le confermeremo molto presto.
