Utilizzando la Dark Energy Camera, montata sul telescopio Víctor M. Blanco da 4 metri all’Osservatorio Interamericano di Cerro Tololo, la Dark Energy Survey ha ottenuto il più grande campione di supernova mai utilizzato con un singolo telescopio. Analizzando oltre 1500 supernove distanti, la collaborazione DES ha posto i più forti vincoli all’espansione dell’Universo mai ottenuti utilizzando le supernove e ha trovato indizi che la densità di energia oscura dell’Universo può variare nel tempo.

 

 

Nel 1998 due gruppi separati di astrofisici, utilizzando i telescopi del Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) della National Science Foundation degli Stati Uniti e del Kitt Peak National Observatory, entrambi programmi del NOIRLab della NSF, hanno scoperto che l’Universo si sta espandendo ad un ritmo accelerato.

Questo fenomeno è attribuito a un’entità misteriosa chiamata energia oscura che costituisce circa il 70% del nostro Universo. La scoperta è stata una sorpresa per gli astrofisici che, all’epoca, si aspettavano che l’espansione dell’Universo stesse rallentando.

Questa scoperta rivoluzionaria è stata ottenuta con le 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 iniziale, gli scienziati che lavorano al Dark Energy Survey (DES) hanno pubblicato i risultati di un’analisi senza precedenti utilizzando la stessa tecnica per sondare ulteriormente i misteri dell’energia oscura e porre i più forti vincoli alla storia di espansione dell’Universo mai ottenuti. In una presentazione al 243° meeting dell’American Astronomical Society l’8 gennaio 2024 e in un articolo presentato all’Astrophysical Journal, gli astrofisici riportano risultati coerenti con il modello cosmologico ormai standard di un Universo con un’espansione accelerata.

Tuttavia, i risultati non sono abbastanza definitivi da escludere un modello forse più complesso.

Il DES è una collaborazione internazionale che comprende più di 400 scienziati provenienti da oltre 25 istituzioni, guidata dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Il DES impiega la Dark Energy Camera (DECam), una fotocamera digitale da 570 megapixel costruita dal Fermilab e finanziata dal DOE Office of Science, con contributi significativi da parte della NSF e dei partner del DES.

È montato sul telescopio Víctor M. Blanco al CTIO in Cile. Raccogliendo dati su 758 notti in sei anni, gli scienziati del DES hanno mappato un’area pari a quasi un ottavo dell’intero cielo.

Tra le osservazioni di circa due milioni di galassie distanti, il team di DES ha trovato diverse migliaia di supernove, rendendo questo il campione di supernova più grande e profondo mai ottenuto da un singolo telescopio  

I ricercatori del DES hanno quindi utilizzato tecniche avanzate di apprendimento automatico per aiutare nella classificazione delle supernove e setacciare il campione in un set di dati uniforme di alta qualità con 1499 probabili supernovae di tipo Ia, triplicando così il numero di supernove osservate oltre un redshift di 0,2 e quintuplicando il numero oltre un redshift di 0,5 . 

“Si tratta di un aumento davvero massiccio rispetto a 25 anni fa, quando solo 52 supernove sono state utilizzate per dedurre l’energia oscura“, ha detto Tamara Davis, professoressa presso l’Università del Queensland in Australia e co-organizzatrice del DES Supernova Working Group.

Questo grande campione di supernove, che copre un’ampia gamma di distanze, può essere utilizzato per tracciare la storia dell’espansione cosmica.

Per ogni supernova, gli scienziati del DES combinano la sua distanza con una misura del suo redshift, ovvero la velocità con cui si sta allontanando dalla Terra a causa dell’espansione dell’Universo.

Insieme, questi due fattori possono fornire informazioni sul fatto che la densità di energia oscura dell’Universo sia rimasta costante o sia cambiata nel tempo.

“Man mano che l’Universo si espande, la densità della materia diminuisce”, ha detto il direttore e portavoce del DES Rich Kron, scienziato del Fermilab e dell’Università di Chicago. “Ma se la densità dell’energia oscura è una costante, ciò significa che la proporzione totale di energia oscura deve aumentare all’aumentare del volume”.

Il modello cosmologico standard è noto come ΛCDM, o “materia oscura fredda Lambda”. Questo modello matematico descrive come si evolve l’Universo utilizzando solo alcune caratteristiche come la densità della materia, il tipo di materia e il comportamento dell’energia oscura.

Mentre ΛCDM assume che la densità dell’energia oscura nell’Universo sia costante nel tempo cosmico e non si diluisca man mano che l’Universo si espande, i risultati della DES Supernova Survey suggeriscono che questo potrebbe non essere vero.

I risultati sono stati ottenuti combinando i dati del DES con i dati complementari del telescopio Planck dell’Agenzia Spaziale Europea.

Un risultato intrigante di questa indagine è che è la prima volta che sono state misurate abbastanza supernove distanti per effettuare una misurazione altamente dettagliata della fase di decelerazione dell’Universo e per vedere dove l’Universo passa dalla decelerazione all’accelerazione.

E mentre i risultati sono coerenti con una densità costante di energia oscura nell’Universo, suggeriscono anche che l’energia oscura potrebbe variare.

 “Ci sono allettanti indizi che l’energia oscura cambia con il tempo”, ha detto Davis, “Troviamo che il modello più semplice di energia oscura – ΛCDM – non è il più adatto. Non è così lontano da escluderlo, ma nella ricerca di capire cosa sta accelerando l’espansione dell’Universo questo è un nuovo intrigante pezzo del puzzle. Potrebbe essere necessaria una spiegazione più complessa”.

Le tecniche innovative di cui il DES è stato pioniere daranno forma e guideranno ulteriormente le future analisi astrofisiche. Progetti come l’imminente Legacy Survey of Space and Time, che sarà condotto dal Vera C. Rubin Observatory, che è gestito congiuntamente dal NOIRLab della NSF e dallo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE, così come dal Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA, riprenderanno da dove il DES si era interrotto.

 “Stiamo sperimentando tecniche pionieristiche che saranno direttamente utili per la prossima generazione di survey di supernove. “, ha detto Kron.

“Questo risultato mostra chiaramente il valore dei progetti di indagine astronomica che continuano a produrre risultati scientifici eccellenti anche dopo la fine della raccolta dei dati”, afferma Nigel Sharp, direttore del programma nella Divisione Scienze Astronomiche della NSF. 

“Abbiamo bisogno di quanti più approcci diversi possibili per capire cos’è l’energia oscura e cosa non è. Questo è un percorso importante per raggiungere questa comprensione”.

Alistair Walker, DECam Instrument Scientist presso NOIRLab, aggiunge: “Diversi elementi si sono uniti per consentire questo importante progresso nella nostra comprensione dell’energia oscura: i cieli incontaminati del Cile, il grande telescopio Blanco equipaggiato con il DECam di ottima fattura, intensi sforzi di calibrazione dei dati che hanno raggiunto livelli senza precedenti di precisione di misurazione e un decennio di sforzi di analisi da parte di un gruppo di scienziati di grande talento”.

Immagine: DES Collaboration/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani