Dotato della più grande fotocamera digitale del mondo, l’Osservatorio Vera C. Rubin catturerà questi misteriosi fenomeni con un dettaglio mai visto prima.
Possiamo dire con certezza quanto conosciamo dell’universo: il 5%. È la quantità di materia ordinaria che fluttua nel cosmo: pianeti, stelle, galassie e la polvere e il gas che li separano. Il restante 95% è costituito dalla materia oscura e dall’energia oscura, due entità misteriose, così chiamate per la nostra incapacità di far luce sulla loro vera natura.
I cosmologi considerano la materia oscura come la colla nascosta che tiene insieme le galassie. L’energia oscura svolge un ruolo opposto, strappando il tessuto dello spazio. Nessuna delle due emette, assorbe o riflette la luce, rendendole di fatto invisibili. Per questo motivo, piuttosto che osservare direttamente l’una o l’altra, gli astronomi devono tracciare con attenzione l’impronta che si lasciano dietro.
Il lavoro precedente ha iniziato a separare queste forze in conflitto, ma la materia oscura e l’energia oscura rimangono avvolte in una coltre di domande: cosa sono esattamente?
Leggete la scheda sul Vera C. Rubin Observatory, una delle nostre 10 tecnologie emergenti per il 2025. Con la più grande fotocamera digitale mai creata, Rubin dovrebbe studiare il cosmo con la più alta risoluzione mai raggiunta prima, una volta iniziate le osservazioni nel corso di quest’anno. E con una finestra migliore sulla battaglia cosmica tra materia oscura ed energia oscura, Rubin potrebbe restringere le teorie esistenti sulla loro composizione. Ecco come fare.
Districare la rete della materia oscura
Negli anni Trenta, l’astronomo svizzero Fritz Zwicky propose l’esistenza di una forza invisibile chiamata dunkle Materie – in inglese, materia oscura – dopo aver studiato un gruppo di galassie chiamato Ammasso di Coma. Zwicky scoprì che le galassie viaggiavano troppo velocemente per essere contenute dalla loro gravità comune e decise che doveva esserci una massa mancante, non osservabile, che teneva insieme l’ammasso.
La teoria di Zwicky fu inizialmente accolta con molto scetticismo. Ma negli anni Settanta un’astronoma americana, Vera Rubin, ottenne prove che rafforzavano significativamente l’idea. Rubin studiò i tassi di rotazione di 60 singole galassie e scoprì che se una galassia avesse solo la massa che siamo in grado di osservare, questa non sarebbe sufficiente a contenere la sua struttura; il suo moto rotatorio la farebbe esplodere e veleggiare nello spazio.
I risultati di Rubin hanno contribuito a veicolare l’idea della materia oscura alla comunità scientifica, poiché una forza invisibile sembrava essere l’unica spiegazione per la velocità di rotazione a rotta di collo di queste galassie. “Non si trattava necessariamente di una scoperta eclatante”, afferma Marc Kamionkowski, fisico teorico della Johns Hopkins University. “Ma lei vedeva la necessità della materia oscura. E anche altre persone hanno iniziato a vederla”.
L’evidenza della materia oscura si è rafforzata nei decenni successivi. Ma la ricerca di ciò che potrebbe essere alla base dei suoi effetti si è rivelata difficile. Sono state proposte diverse particelle subatomiche. Alcuni scienziati hanno ipotizzato che i fenomeni generati dalla materia oscura potessero essere spiegati anche da modifiche alla nostra teoria della gravità. Ma finora la caccia, che ha impiegato telescopi, collisori di particelle e rivelatori sotterranei, non è riuscita a identificare il colpevole.
Lo strumento principale dell’osservatorio Rubin per indagare la materia oscura sarà il lensing gravitazionale, una tecnica osservativa utilizzata dalla fine degli anni ’70. Quando la luce proveniente da galassie lontane viaggia verso la Terra, la materia oscura che interviene ne distorce l’immagine, come una lente d’ingrandimento cosmica. Misurando la curvatura della luce, gli astronomi possono tracciare una mappa della distribuzione della materia oscura.
Altri osservatori, come il Telescopio Spaziale Hubble e il Telescopio Spaziale James Webb, hanno già iniziato a ricucire questa mappa dalle loro immagini di galassie. Ma Rubin intende farlo con una precisione e una scala eccezionali, analizzando le forme di miliardi di galassie piuttosto che le centinaia di milioni che i telescopi attuali osservano, secondo Andrés Alejandro Plazas Malagón, scienziato operativo di Rubin presso lo SLAC National Laboratory. “Avremo il più ampio rilevamento di galassie finora effettuato”, afferma Plazas Malagón.
Per catturare il cosmo in così alta definizione è necessario il Large Synoptic Survey Telescope (LSST) di Rubin da 3,2 miliardi di pixel. L’LSST vanta il più grande piano focale mai costruito per l’astronomia, che gli consente di accedere a vaste porzioni di cielo.
Il telescopio è inoltre progettato per riorientare lo sguardo ogni 34 secondi, il che significa che gli astronomi saranno in grado di scansionare l’intero cielo ogni tre notti. L’LSST rivisiterà ogni galassia circa 800 volte durante la sua permanenza, spiega Steven Ritz, scienziato del progetto Rubin presso l’Università della California, Santa Cruz. Le esposizioni ripetute permetteranno ai membri del team Rubin di misurare con maggiore precisione la distorsione delle galassie, affinando la mappa della rete della materia oscura. “Vedremo queste galassie in profondità e di frequente”, dice Ritz. “Questo è il potere di Rubin: la possibilità di vedere l’universo in modo dettagliato e ripetuto”.
L’obiettivo finale è sovrapporre questa mappa a diversi modelli di materia oscura ed esaminare i risultati. L’idea principale, il modello della materia oscura fredda, suggerisce che la materia oscura si muove lentamente rispetto alla velocità della luce e interagisce con la materia ordinaria solo attraverso la gravità. Altri modelli suggeriscono un comportamento diverso. Ognuno di essi ha una propria immagine di come la materia oscura dovrebbe raggrupparsi negli aloni che circondano le galassie. Tracciando il grafico della materia oscura rispetto alle previsioni di questi modelli, Rubin potrebbe escludere alcune teorie e favorirne altre.
Un tiro alla fune cosmico
Se la materia oscura si trova su un lato di un magnete, che tira la materia insieme, allora lo si capovolge per trovare l’energia oscura, che la spinge a separarsi. “Si può pensare a un tiro alla fune cosmico”, dice Plazas Malagón.
L’energia oscura è stata scoperta alla fine degli anni Novanta, quando gli astronomi hanno constatato che l’universo non solo si espandeva, ma lo faceva a un ritmo accelerato, con le galassie che si allontanavano l’una dall’altra a velocità sempre più elevate.
“L’aspettativa era che la velocità relativa tra due galassie dovesse diminuire”, spiega Kamionkowski. “Questa espansione cosmologica richiede qualcosa che agisca come un’antigravità”. Gli astronomi hanno subito deciso che doveva esserci un altro fattore invisibile che gonfiava il tessuto dello spazio e lo hanno classificato come lamina cosmica della materia oscura.
Finora l’energia oscura è stata osservata principalmente attraverso le supernove di tipo Ia, un tipo particolare di esplosione che si verifica quando una stella nana bianca accumula troppa massa. Poiché queste supernove tendono ad avere tutte lo stesso picco di luminosità, gli astronomi possono valutare quanto sono lontane misurando la loro luminosità dalla Terra. Insieme alla misura della velocità con cui si muovono, questi dati permettono agli astronomi di capire il tasso di espansione dell’universo.
Rubin continuerà a studiare l’energia oscura con scorci ad alta risoluzione di supernove di tipo Ia. Ma intende anche raccontare la storia cosmica dell’energia oscura attraverso la lente gravitazionale. Poiché la luce non viaggia istantaneamente, quando scrutiamo galassie lontane, in realtà stiamo osservando reliquie risalenti a milioni o miliardi di anni fa, per quanto tempo sia necessario alla loro luce per compiere il lungo viaggio verso la Terra. Gli astronomi possono usare Rubin come una macchina del tempo improvvisata per vedere come l’energia oscura ha scolpito la forma dell’universo.
“Sono questi i tipi di domande che vogliamo porre: l’energia oscura è una costante? Se no, si sta evolvendo nel tempo? Come sta cambiando la distribuzione della materia oscura nell’universo?”, afferma Plazas Malagón.
Se in passato l’energia oscura era più debole, gli astronomi si aspettano di vedere galassie raggruppate ancora più densamente in ammassi di galassie. “È come un’espansione urbana: questi enormi conglomerati di materia”, dice Ritz. Se invece l’energia oscura fosse stata più forte, avrebbe allontanato le galassie l’una dall’altra, creando un paesaggio più “rurale”.
I ricercatori potranno utilizzare le mappe di Rubin della materia oscura e la distribuzione tridimensionale delle galassie per tracciare come la struttura dell’universo sia cambiata nel tempo, svelando il ruolo dell’energia oscura e, si spera, aiutando gli scienziati a valutare le diverse teorie che spiegano il suo comportamento.
Naturalmente, Rubin ha un elenco più lungo di obiettivi da raggiungere. Alcuni dei punti più importanti riguardano il tracciamento della struttura della Via Lattea, la catalogazione delle esplosioni cosmiche e l’osservazione di asteroidi e comete. Ma da quando l’osservatorio è stato concepito all’inizio degli anni ’90, il suo obiettivo principale è stato quello di esplorare questo ramo nascosto dell’universo. Dopotutto, prima che un atto del Congresso del 2019 dedicasse l’osservatorio a Vera Rubin, esso si chiamava semplicemente Dark Matter Telescope.
Rubin, però, non è l’unico a dare la caccia. Nel 2023, l’Agenzia Spaziale Europea ha lanciato nello spazio il telescopio Euclid per studiare come la materia oscura e l’energia oscura abbiano modellato la struttura del cosmo. Il telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA, il cui lancio è previsto per il 2027, ha progetti simili per misurare il tasso di espansione dell’universo e tracciare le distribuzioni su larga scala della materia oscura. Entrambi mirano anche ad affrontare la domanda incombente: cosa compone questo impero invisibile?
Rubin testerà i suoi sistemi per gran parte del 2025 e prevede di iniziare l’indagine LSST alla fine di quest’anno o all’inizio del 2026. Dodici o 14 mesi dopo, il team prevede di rivelare la prima serie di dati. A quel punto potremmo finalmente iniziare a sapere esattamente come Rubin illuminerà l’universo oscuro.
