Circa sei miliardi di anni luce fa, quasi a metà strada tra i giorni nostri e il Big Bang, nell'Universo era in corso un cambiamento elementare.
Trattenuto fino ad allora dalla reciproca attrazione gravitazionale di tutta la materia che conteneva, l'Universo si stava espandendo sempre più lentamente. Poi, quando la materia si estese e la sua densità è diminuita, l'energia oscura ha assunto massa e l'espansione cominciò ad accelerare.
Lo strumento chiamato BOSS,, (the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), il più grande componente del terzo Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III), ha annunciato la misurazione più accurata in assoluto della scala delle distanze dell'Universo durante l'era in cui l'energia oscura si accese.
"Abbiamo fatto misurazioni di precisione della struttura a grande scala dell'Universo dai cinque ai sette miliardi di anni fa, la miglior misura mai ottenuta delle dimensioni di qualsiasi cosa al di fuori della Via Lattea", dice David Schlegel della Divisione di Fisica presso il Dipartimento degli Stati Uniti dell'Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ricercatore principale di BOSS. "Ci stiamo spingendo verso le distanze quando l'energia oscura si accese, e si potranno iniziare a fare esperimenti per scoprire cosa sta causando l'espansione e l'accelerazione".
Misurare l'espansione in un Universo in accelerazione
crescente è stato annunciato meno di 14 anni fa, sia dalla Supernova Cosmology Project (SCP) con sede a Berkeley Lab che dall'High-z team di Ricerca Supernova, una scoperta che ha portato nel 2011 il Premio Nobel per la SCP Saul Perlmutter e al team High-z di Brian Schmidt e Adam Riess.
L'accelerazione può derivare da un qualcosa di sconosciuto chiamato "energia oscura" o, l'energia oscura può essere solo un modo per definire quello che non comprendiamo di come la gravità funziona realmente.
Il primo passo per scoprirlo è stabilire una storia dettagliata di tale espansione. A differenza delle ricerche di supernova, che dipendono dalla luminosità delle esplosioni stellari, il BOSS utilizza una tecnica chiamata oscillazione acustica barionica (BAO) per determinare le distanze delle galassie lontane.
L'oscillazione acustica barionica misura l'angolo nel cielo di strutture di dimensioni note, le vette dove le galassie riempiono più densamente l'universo nella rete di filamenti e di vuoti. Dal momento che questi picchi di densità ricorrono regolarmente, l'angolo tra le coppie di galassie adeguati con la massima precisione misurata dalla Terra, rivela la loro distanza, più è stretto l'angolo apparente, più lontano esse sono.
Conoscere la distanza di un oggetto ci permette di saperela sua età, dal momento che la sua luce si sposta da lì a qui a velocità nota. Il redshift della luce rivela come l'Universo si è ampliato da quel momento, l'espansione si estende nello stesso spazio. la lunghezza d'onda della luce che viaggia attraverso lo spazio verso la Terra si estende in modo proporzionale, diventando più rossa e rivelando l'espansione dell'Universo perché la luce ha lasciato la sua fonte.
"I primi dati offerti da BOSS hanno offerto i risultati cosmologici che stabiliscono le accurate posizioni tridimensionali di 327,349 massiccie galassie in 3.275 gradi quadrati di cielo, raggiungendo nel lontano redshift 0.7 - il più grande campione dell'Universo mai sorvegliato a questa alta densità", dice Martin Bianco della Divisione di Fisica Berkeley Lab, un professore di fisica e astronomia presso l'Università della California a Berkeley e presidente dei team scientifici di BOSS. "Il redshift medio rilevato da BOSS è di 0,57, equivalente a circa sei miliardi di anni luce di distanza dà quella distanza entro 1,7 per cento -. 2.094 megaparsec più o meno 34 megaparsec - il vincolo di distanza più preciso mai ottenuto da un sondaggio galassia."
L'origine della BAO, il raggruppamento regolare di materia ordinaria (chiamato "barioni" per convenzione astronomico), era la pressione delle onde sonore (in tal modo "acustico") che si muove attraverso l'Universo quando era ancora così caldo che la luce e la materia furono mescolate insieme in una sorta di zuppa, in cui le onde sonore crearono zone di densità regolarmente variabile ("oscillazione"). 380.000 anni dopo il Big Bang, l'espansione si era raffreddata e la zuppa era sufficente per la materia ordinaria di condensarsi in atomi di idrogeno (La materia oscura è anche parte della zuppa, seppur invisibile) e per la luce di andare separatamente.
In quel momento le variazioni di densità sono state conservate come variazioni di temperatura della radiazione cosmica di fondo (CMB), un fenomeno misurato per la prima volta dall'astrofisico della Berkeley Lab, George Smoot, per i quali ha condiviso il premio Nobel d 2006. Le regioni più calde delle zone con segnale CMB in cui la densità della materia era più grande di queste regioni hanno seminato le galassie e gli ammassi di galassie che formano la struttura a grande scala dell'Universo oggi. Così la radiazione cosmica di fondo stabilisce la scala di base di oscillazione acustica barionica utilizzata per misurare la storia dell'espansione dell'Universo.
I dati di BOSS sul redshift della galassia possono essere applicati non solo ai BAO, ma anche ad una tecnica separata, denominata "distorsione spaziale del redshift" - una prova diretta della gravità che misura la velocità delle galassie vicine che si stanno muovendo insieme per formare gli ammassi di galassie.
Che cosa succederebbe se l'energia oscura non fosse una forza sconosciuta o una sostanza, ma invece una lacuna della teoria generale di Albert Einstein della relatività, quella comunemente accettata per definire la gravità?
La Relatività Generale predice quanto velocemente le galassie dovrebbero muoversi l'una verso l'altra in ammassi di galassie, e, nel complesso, quanto velocemente la struttura dell'Universo dovrebbe essere in crescita. Ogni deviazione dalle sue previsioni significherebbe che la teoria è sbagliata.
"Dipendiamo dal redshift per conoscere i tassi di espansione e come struttura è stata in crescita in tempi diversi nel passato", dice Beth Reid, un Hubble Fellow presso il Lawrence Berkeley National Laboratory che ha diretto lo studio di BOSS sulle distorsioni spaziali del redshift. "Ma i redshift non sono uniformi. Le galassie vengono trascinate nel flusso di Hubble, mentre l'Universo si espande, ma hanno anche loro velocità proprie. Tendono a cadere verso le regioni più dense, per esempio. Poiché quelle sul lato opposto di una fitta regione stanno venendo verso di noi, il loro redshift le fa apparire più vicine di quanto realmente siano, è vero il contrario per le galassie che stanno spostandosi lontano da noi ".
L'analisi statistica degli spostamenti verso il rosso delle centinaia di migliaia di galassie nel dataset di BOSS può prendere in considerazione le peculiarità delle variazioni locali continuando a produrre una misura affidabile della loro distanza, il tasso di espansione di Hubble e il tasso di crescita della struttura dell'Universo.
Con queste tecniche, Reid e i suoi colleghi hanno misurato la gravità su una scala da 100 milioni di anni luce, molto più grande rispetto alla misura della gravità ancora più accurata, che si basa sulla distanza dalla Terra alla Luna.
La loro conclusione: Einstein aveva ragione.
BOSS ha ottenuto queste precise misurazioni con il telescopio a grande campo Sloan alla Apache Point Observatory nel New Mexico, progettato appositamente per le indagini sulle galassie, ma con il supporto di un spettrografo molto più sofisticato di quanto non fosse disponibile per i sondaggi precedenti SDSS.
"Il telescopio di 2,5-metri Sloan resta il più importante del mondo per il grande campo della spettroscopia perché utilizza gli spettrografi a fibra-fed, che offrono un enorme vantaggio numerico", dice Natalie Roe, direttore della Divisione di Fisica Berkeley Lab e scienziato per lo strumento BOSS, il quale ha diretto la costruzione dei nuovi spettrografi.
Per ogni 15 minuti di esposizione, che copre tre gradi del cielo, un migliaio di fibre ottiche vengono inserite a mano in "lastre spina" in alluminio e posizionate al piano focale del telescopio, ogni fibra è dedicata ad una specifica galassia distante brillante. Lo strumento BOSS utilizza il 50 per cento in più di fibre rispetto alle precedenti SDSS, ciascuna con un diametro più fine, per una maggiore copertura e una risoluzione più fine, inoltre il nuovo spettrografo incorpora due fotocamere rosse utilizzando le CCD astronomiche sensibili al rosso inventate e realizzate nei Berkeley Lab, così come anche due nuove fotocamere blu.
"Tutti i dati raccolti dai flussi di BOSS sono elaborati poi nei Berkeley Lab", dice Stephen Bailey della Divisione di Fisica, che si descrive come il "baby sitter del gasdotto". Lavorare con Schlegel a Berkeley Lab e Adam Bolton presso l'Università di Utah, Bailey "trasforma i dati in qualcosa che possiamo usare (cataloghi di centinaia di migliaia di galassie, oltre un milione, ognuna identificata dalla posizione bidimensionale in il cielo ed i loro spostamenti verso il rosso". I dati vengono elaborati e memorizzati sul computer Riemann, gestito dal gruppo di Berkeley Lab.
BOSS continuerà a raccogliere dati fino al 2014. Finora, tutte le linee di punto di informazione convergono verso il cosiddetto "modello di concordanza" dell'Universo: un Universo "flat" (euclideo) che fiorì dal big bang 13,7 miliardi di anni fa, un quarto dei quali è materia oscura fredda più quella, ordinaria, cioè la materia barionica (le cose di cui siamo fatti noi). Tutto il resto è ritenuto essere l'energia oscura sotto forma di costante cosmologica di Einstein: una piccola energia, ma irriducibile di origine sconosciuta che sta continuamente estendendo lo stesso spazio.
"Ma è troppo presto per pensare che siamo alla fine della storia", dice Schlegel. "Sulla base delle osservazioni limitate di energia oscura che abbiamo fatto finora, la costante cosmologica può essere la spiegazione più semplice, ma in realtà, la costante cosmologica non è stata testata a tutti. E' coerente con i dati, ma abbiamo davvero solo una piccola frazione di dati. Stiamo appena iniziando a esplorare i momenti in cui l'energia oscura si accese. Se esistono sorprese in agguato ci aspettiamo di scoprirle presto".
Traduzione A Cura Di Arthur McPaul
Foto in alto:
Lo strumento BOSS, misura gli ammassi di galassie in tre dimensioni e in vari redshifts, rivelando la loro precisa distanza, l'età dell'Universo e quando velocemente si sta espandendo. La misurazione usa regole standard basate sulle variazioni di temperatura delle microonde cosmiche di fondo, che rivelano le variazioni di densità della materia nell'Universo primordiale che ha fornito l'attuale struttura delle galassie.(Crediti: Eric Huff, the SDSS-III team, and the South Pole Telescope team. Graphic by Zosia Rostomian)
Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120330081844.htm
Trattenuto fino ad allora dalla reciproca attrazione gravitazionale di tutta la materia che conteneva, l'Universo si stava espandendo sempre più lentamente. Poi, quando la materia si estese e la sua densità è diminuita, l'energia oscura ha assunto massa e l'espansione cominciò ad accelerare.
Lo strumento chiamato BOSS,, (the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), il più grande componente del terzo Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III), ha annunciato la misurazione più accurata in assoluto della scala delle distanze dell'Universo durante l'era in cui l'energia oscura si accese.
"Abbiamo fatto misurazioni di precisione della struttura a grande scala dell'Universo dai cinque ai sette miliardi di anni fa, la miglior misura mai ottenuta delle dimensioni di qualsiasi cosa al di fuori della Via Lattea", dice David Schlegel della Divisione di Fisica presso il Dipartimento degli Stati Uniti dell'Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ricercatore principale di BOSS. "Ci stiamo spingendo verso le distanze quando l'energia oscura si accese, e si potranno iniziare a fare esperimenti per scoprire cosa sta causando l'espansione e l'accelerazione".
Misurare l'espansione in un Universo in accelerazione
crescente è stato annunciato meno di 14 anni fa, sia dalla Supernova Cosmology Project (SCP) con sede a Berkeley Lab che dall'High-z team di Ricerca Supernova, una scoperta che ha portato nel 2011 il Premio Nobel per la SCP Saul Perlmutter e al team High-z di Brian Schmidt e Adam Riess.
L'accelerazione può derivare da un qualcosa di sconosciuto chiamato "energia oscura" o, l'energia oscura può essere solo un modo per definire quello che non comprendiamo di come la gravità funziona realmente.
Il primo passo per scoprirlo è stabilire una storia dettagliata di tale espansione. A differenza delle ricerche di supernova, che dipendono dalla luminosità delle esplosioni stellari, il BOSS utilizza una tecnica chiamata oscillazione acustica barionica (BAO) per determinare le distanze delle galassie lontane.
L'oscillazione acustica barionica misura l'angolo nel cielo di strutture di dimensioni note, le vette dove le galassie riempiono più densamente l'universo nella rete di filamenti e di vuoti. Dal momento che questi picchi di densità ricorrono regolarmente, l'angolo tra le coppie di galassie adeguati con la massima precisione misurata dalla Terra, rivela la loro distanza, più è stretto l'angolo apparente, più lontano esse sono.
Conoscere la distanza di un oggetto ci permette di saperela sua età, dal momento che la sua luce si sposta da lì a qui a velocità nota. Il redshift della luce rivela come l'Universo si è ampliato da quel momento, l'espansione si estende nello stesso spazio. la lunghezza d'onda della luce che viaggia attraverso lo spazio verso la Terra si estende in modo proporzionale, diventando più rossa e rivelando l'espansione dell'Universo perché la luce ha lasciato la sua fonte.
"I primi dati offerti da BOSS hanno offerto i risultati cosmologici che stabiliscono le accurate posizioni tridimensionali di 327,349 massiccie galassie in 3.275 gradi quadrati di cielo, raggiungendo nel lontano redshift 0.7 - il più grande campione dell'Universo mai sorvegliato a questa alta densità", dice Martin Bianco della Divisione di Fisica Berkeley Lab, un professore di fisica e astronomia presso l'Università della California a Berkeley e presidente dei team scientifici di BOSS. "Il redshift medio rilevato da BOSS è di 0,57, equivalente a circa sei miliardi di anni luce di distanza dà quella distanza entro 1,7 per cento -. 2.094 megaparsec più o meno 34 megaparsec - il vincolo di distanza più preciso mai ottenuto da un sondaggio galassia."
L'origine della BAO, il raggruppamento regolare di materia ordinaria (chiamato "barioni" per convenzione astronomico), era la pressione delle onde sonore (in tal modo "acustico") che si muove attraverso l'Universo quando era ancora così caldo che la luce e la materia furono mescolate insieme in una sorta di zuppa, in cui le onde sonore crearono zone di densità regolarmente variabile ("oscillazione"). 380.000 anni dopo il Big Bang, l'espansione si era raffreddata e la zuppa era sufficente per la materia ordinaria di condensarsi in atomi di idrogeno (La materia oscura è anche parte della zuppa, seppur invisibile) e per la luce di andare separatamente.
In quel momento le variazioni di densità sono state conservate come variazioni di temperatura della radiazione cosmica di fondo (CMB), un fenomeno misurato per la prima volta dall'astrofisico della Berkeley Lab, George Smoot, per i quali ha condiviso il premio Nobel d 2006. Le regioni più calde delle zone con segnale CMB in cui la densità della materia era più grande di queste regioni hanno seminato le galassie e gli ammassi di galassie che formano la struttura a grande scala dell'Universo oggi. Così la radiazione cosmica di fondo stabilisce la scala di base di oscillazione acustica barionica utilizzata per misurare la storia dell'espansione dell'Universo.
I dati di BOSS sul redshift della galassia possono essere applicati non solo ai BAO, ma anche ad una tecnica separata, denominata "distorsione spaziale del redshift" - una prova diretta della gravità che misura la velocità delle galassie vicine che si stanno muovendo insieme per formare gli ammassi di galassie.
Che cosa succederebbe se l'energia oscura non fosse una forza sconosciuta o una sostanza, ma invece una lacuna della teoria generale di Albert Einstein della relatività, quella comunemente accettata per definire la gravità?
La Relatività Generale predice quanto velocemente le galassie dovrebbero muoversi l'una verso l'altra in ammassi di galassie, e, nel complesso, quanto velocemente la struttura dell'Universo dovrebbe essere in crescita. Ogni deviazione dalle sue previsioni significherebbe che la teoria è sbagliata.
"Dipendiamo dal redshift per conoscere i tassi di espansione e come struttura è stata in crescita in tempi diversi nel passato", dice Beth Reid, un Hubble Fellow presso il Lawrence Berkeley National Laboratory che ha diretto lo studio di BOSS sulle distorsioni spaziali del redshift. "Ma i redshift non sono uniformi. Le galassie vengono trascinate nel flusso di Hubble, mentre l'Universo si espande, ma hanno anche loro velocità proprie. Tendono a cadere verso le regioni più dense, per esempio. Poiché quelle sul lato opposto di una fitta regione stanno venendo verso di noi, il loro redshift le fa apparire più vicine di quanto realmente siano, è vero il contrario per le galassie che stanno spostandosi lontano da noi ".
L'analisi statistica degli spostamenti verso il rosso delle centinaia di migliaia di galassie nel dataset di BOSS può prendere in considerazione le peculiarità delle variazioni locali continuando a produrre una misura affidabile della loro distanza, il tasso di espansione di Hubble e il tasso di crescita della struttura dell'Universo.
Con queste tecniche, Reid e i suoi colleghi hanno misurato la gravità su una scala da 100 milioni di anni luce, molto più grande rispetto alla misura della gravità ancora più accurata, che si basa sulla distanza dalla Terra alla Luna.
La loro conclusione: Einstein aveva ragione.
BOSS ha ottenuto queste precise misurazioni con il telescopio a grande campo Sloan alla Apache Point Observatory nel New Mexico, progettato appositamente per le indagini sulle galassie, ma con il supporto di un spettrografo molto più sofisticato di quanto non fosse disponibile per i sondaggi precedenti SDSS.
"Il telescopio di 2,5-metri Sloan resta il più importante del mondo per il grande campo della spettroscopia perché utilizza gli spettrografi a fibra-fed, che offrono un enorme vantaggio numerico", dice Natalie Roe, direttore della Divisione di Fisica Berkeley Lab e scienziato per lo strumento BOSS, il quale ha diretto la costruzione dei nuovi spettrografi.
Per ogni 15 minuti di esposizione, che copre tre gradi del cielo, un migliaio di fibre ottiche vengono inserite a mano in "lastre spina" in alluminio e posizionate al piano focale del telescopio, ogni fibra è dedicata ad una specifica galassia distante brillante. Lo strumento BOSS utilizza il 50 per cento in più di fibre rispetto alle precedenti SDSS, ciascuna con un diametro più fine, per una maggiore copertura e una risoluzione più fine, inoltre il nuovo spettrografo incorpora due fotocamere rosse utilizzando le CCD astronomiche sensibili al rosso inventate e realizzate nei Berkeley Lab, così come anche due nuove fotocamere blu.
"Tutti i dati raccolti dai flussi di BOSS sono elaborati poi nei Berkeley Lab", dice Stephen Bailey della Divisione di Fisica, che si descrive come il "baby sitter del gasdotto". Lavorare con Schlegel a Berkeley Lab e Adam Bolton presso l'Università di Utah, Bailey "trasforma i dati in qualcosa che possiamo usare (cataloghi di centinaia di migliaia di galassie, oltre un milione, ognuna identificata dalla posizione bidimensionale in il cielo ed i loro spostamenti verso il rosso". I dati vengono elaborati e memorizzati sul computer Riemann, gestito dal gruppo di Berkeley Lab.
BOSS continuerà a raccogliere dati fino al 2014. Finora, tutte le linee di punto di informazione convergono verso il cosiddetto "modello di concordanza" dell'Universo: un Universo "flat" (euclideo) che fiorì dal big bang 13,7 miliardi di anni fa, un quarto dei quali è materia oscura fredda più quella, ordinaria, cioè la materia barionica (le cose di cui siamo fatti noi). Tutto il resto è ritenuto essere l'energia oscura sotto forma di costante cosmologica di Einstein: una piccola energia, ma irriducibile di origine sconosciuta che sta continuamente estendendo lo stesso spazio.
"Ma è troppo presto per pensare che siamo alla fine della storia", dice Schlegel. "Sulla base delle osservazioni limitate di energia oscura che abbiamo fatto finora, la costante cosmologica può essere la spiegazione più semplice, ma in realtà, la costante cosmologica non è stata testata a tutti. E' coerente con i dati, ma abbiamo davvero solo una piccola frazione di dati. Stiamo appena iniziando a esplorare i momenti in cui l'energia oscura si accese. Se esistono sorprese in agguato ci aspettiamo di scoprirle presto".
Traduzione A Cura Di Arthur McPaul
Foto in alto:
Lo strumento BOSS, misura gli ammassi di galassie in tre dimensioni e in vari redshifts, rivelando la loro precisa distanza, l'età dell'Universo e quando velocemente si sta espandendo. La misurazione usa regole standard basate sulle variazioni di temperatura delle microonde cosmiche di fondo, che rivelano le variazioni di densità della materia nell'Universo primordiale che ha fornito l'attuale struttura delle galassie.(Crediti: Eric Huff, the SDSS-III team, and the South Pole Telescope team. Graphic by Zosia Rostomian)
Fonte:
http://www.sciencedaily.com/releases/2012/03/120330081844.htm
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