Studio della materia oscura, la sostanza più misteriosa dell'universo

Forse la domanda più importante in astronomia in questo momento è quella che sembra semplice: di cosa è fatto l’universo? Conosciamo protoni, neutroni ed elettroni e sappiamo che queste particelle si combinano per creare l'universo che osserviamo: stelle, pianeti, comete e buchi neri.

Ma tutto questo è solo una piccola frazione di ciò che esiste. La materia ordinaria, quella che gli astronomi chiamano materia barionica, è in minoranza se si considera il nostro universo nel suo insieme. L’universo è infatti dominato dalla materia oscura e dall’energia oscura, due cose misteriose che non abbiamo mai rilevato direttamente.

Per risolvere questo strano enigma, l'Agenzia spaziale europea (ESA) sta costruendo lo spazio Euclid telescopio, un progetto all’avanguardia che verrà lanciato per indagare sia la materia oscura che l’energia oscura nel 2022.

Per saperne di più su come costruire uno strumento per cercare qualcosa di invisibile, abbiamo parlato con René Laureijs, scienziato del progetto Euclid.

Vederne solo gli effetti

Sia la materia oscura che l’energia oscura sono costrutti teorici, nel senso che abbiamo buone ragioni per credere che esistano, anche se nessuna delle due è mai stata rilevata direttamente. Invece sappiamo che devono essere lì perché vediamo i loro effetti sull’universo.

“La materia oscura è qualcosa di cui si vedono solo gli effetti”, ha spiegato Laureijs. “Quindi vedi qualcosa che si muove, o cose che si attraggono, e non sai cosa lo causa. Vediamo anche in astronomia che le cose sono attratte, o che le cose si muovono, e guardando cosa succede intorno, non possiamo spiegare questi movimenti con la presenza di materia ordinaria”.

Questa attrazione è realmente evidente solo su scala molto grande, osservando oggetti delle dimensioni delle galassie. Inizialmente gli astronomi pensarono che forse ci fosse qualcosa di sbagliato nella loro descrizione della gravità, e per questo motivo essa appariva diversa su scala astronomica. Ma ora sono ampiamente convinti che sia una particella a causare questi effetti, anche se rilevare la particella stessa è una sfida continua. “Non l’abbiamo mai visto, ma vediamo prove indirette di qualcosa che si comporta come la materia ma non può essere visto. E questo è ciò che chiamiamo materia oscura”, ha detto Laureijs.

E poi c’è l’energia oscura. È simile alla materia oscura in quanto è un costrutto utilizzato per spiegare osservazioni inaspettate sull’universo. Ma è molto diverso in quanto gli astronomi pensano che possa trattarsi di una forma di energia, piuttosto che di una particella. È usato per spiegare l'espansione dell'universo. Sappiamo che l’universo si sta espandendo, ma le osservazioni degli anni ’90 effettuate con nuovi strumenti come il telescopio spaziale Hubble hanno scioccato gli astronomi mostrando che il tasso di espansione stava accelerando.

“È un effetto molto sottile, ma misurando accuratamente le distanze di galassie lontane, le persone riescono a farlo scoperto 20 anni fa che l’universo non solo si sta espandendo, ma si sta espandendo in modo accelerato”. Laureijs spiegato. “Ciò significa che c’è un’energia extra che spinge fuori le galassie, e si scopre che questa accelerazione è iniziata a metà dell’età dell’universo, circa 6 miliardi di anni fa. Questo è davvero un enigma, il motivo per cui è successo. Quindi c’è una forza aggiuntiva che agisce contro la gravità, spingendo tutte le galassie verso l’esterno in modo accelerato, ed è ciò che chiamiamo energia oscura”.

Ciò che è veramente notevole riguardo alla materia oscura e all’energia oscura è quanto siano prevalenti. Quando si considera la componente energetica totale dell’universo, stime attuali mostrano che circa il 68% dell’universo è costituito da energia oscura, mentre il 27% è materia oscura. Tutta la materia normale che vediamo intorno a noi – ogni stella, ogni pianeta, ogni molecola di gas – ammonta solo al 5% di tutto ciò che esiste.

Quindi c’è il 95% dell’universo che capiamo a malapena. "Questo è il più grande enigma che abbiamo al momento nel campo della fisica e dell'astronomia", ha detto Laureijs. "Come astronomo, è davvero fantastico essere in questo momento, per lavorare su questo problema."

Come dare la caccia all'invisibile

Il metodo tradizionale per la ricerca dell’energia oscura consiste nel misurare l’espansione dell’universo osservando le supernovae. Se una supernova esplode in una galassia lontana, possiamo tracciare l’energia che emette per stimare quanto è lontana, ma ci sono limiti a questo approccio. Pertanto negli ultimi decenni sono stati concepiti due nuovi metodi per misurare l’espansione dell’universo, ed Euclide li utilizzerà entrambi.

Il primo metodo è osservare la distribuzione delle galassie nell’universo. Gli astronomi osservano la distanza di una galassia e osservano il suo spostamento verso il rosso (il grado in cui la luce proveniente da quella galassia viene spostato verso l'estremità rossa dello spettro), e da questo possono capire quanto velocemente la galassia si sta allontanando noi.

Il secondo metodo è osservare il distribuzione della materia oscura. Sappiamo che la distribuzione della materia ordinaria segue la distribuzione della materia oscura, e là fuori c’è molta più materia oscura che materia ordinaria. Gli effetti gravitazionali della materia oscura possono essere visti attraverso una tecnica chiamata lente gravitazionale, in cui la massa della materia oscura piega la luce attorno a sé.

Questo è il motivo per cui Euclide è alla ricerca sia della materia oscura che dell’energia oscura, perché conoscere l’una può anche insegnarci qualcosa sull’altra.

Un incredibile livello di precisione

Per raccogliere il tipo di dati necessari per studiare l’energia oscura e la materia oscura, gli strumenti sono concettualmente relativamente semplici. Euclid ha due strumenti principali: una telecamera/spettrometro a infrarossi e una telecamera ottica gigante.

Lo strumento a infrarossi è dotato di vari filtri e prismi a reticolo che gli consentono di misurare lo spostamento verso il rosso di galassie lontane, che mostra quanto si allontanano da noi. La fotocamera ottica è un mosaico di 36 sensori che danno una risoluzione totale di oltre 600 megapixel, il che si traduce in immagini estremamente nitide, come una versione molto più precisa di una fotocamera digitale. E poi c’è il telescopio stesso con il suo specchio da 1,2 metri.

La sfida nella costruzione dell'hardware è il livello incredibilmente elevato di precisione richiesto. Le distorsioni che gli scienziati stanno cercando a causa della presenza di materia oscura ed energia oscura sono così piccole che gli strumenti devono essere incredibilmente sensibili, in grado di rilevare anche le più piccole fluttuazioni nelle letture. Ma ciò significa che qualsiasi cambiamento nell’ambiente del telescopio stesso può distorcere notevolmente i dati. Anche qualcosa di così piccolo come accendere l'elettronica all'interno del satellite sarà evidente nelle letture effettuate.

"Il telescopio è stato costruito in modo tale da essere estremamente stabile e fornire immagini molto nitide", ha detto Laureijs. “E ha un campo visivo molto ampio. Se metti tutto insieme – stabilità, nitidezza e ampio campo visivo – ottieni un design impossibile! Quindi è molto difficile”.

Un modo in cui il team affronta questo problema di progettazione è quello di posizionare il telescopio nello spazio, dove si troverà molto più lontano ambiente stabile e può catturare immagini da quattro a cinque volte più nitide dell'immagine più nitida da cui è possibile catturarla Terra. Ma c’è ancora il problema della luce solare, poiché la regolazione del satellite rispetto al sole cambierà la quantità di calore che riceve. Anche una variazione di pochi milliwatt di energia è sufficiente per essere rilevata dagli strumenti.

Il problema più grande con cui devono confrontarsi i progettisti di telescopi è l’espansione. Quando i materiali si surriscaldano, si espandono e anche una piccola fluttuazione della temperatura potrebbe causare il rigonfiamento di parti del telescopio e introdurre distorsioni nei dati.

Di conseguenza, la maggior parte dei componenti Euclid sono costruiti con un materiale straordinario chiamato carburo di silicio. Questa ceramica ha un coefficiente di dilatazione estremamente basso, il che significa che si espande molto poco quando fa caldo. E poiché è utilizzato in tutti gli strumenti, se si espande, lo fa in modo uniforme. Anche i telai dei sensori sono in carburo di silicio, così come lo specchio principale del telescopio. Lo specchio è stato lucidato a fondo con una tolleranza di pochi nanometri, un processo che ha richiesto quasi un anno.

Tutta questa cura significa che il satellite è estremamente stabile e sarà in grado di catturare immagini nitide e precise.

Offrire qualcosa all'umanità

Sebbene lo studio della materia oscura e dell’energia oscura sia importante soprattutto per la fisica teorica, la caccia può avere anche implicazioni pratiche. In primo luogo, l'hardware progettato per progetti come Euclid e le tecniche di misurazione sviluppate potrebbero essere utilizzate in tutta una serie di campi diversi. In secondo luogo, c’è la ricca mole di dati che Euclid raccoglierà.

"Con i nostri dati, non solo misuriamo l'energia oscura e la materia oscura, ma scattiamo foto di tutto ciò che vediamo nel cielo su quelle lunghezze d'onda", ha detto Laureijs. “Quindi c’è molta più astronomia in esso. E anche questa è una parte entusiasmante, perché offriamo qualcosa di così nuovo all’umanità, agli astronomi. Tra otto anni, potrete andare sul sito web dell’ESA e andare in qualsiasi posizione nel cielo e vedere come appare, con un’enorme risoluzione, alla profondità di 10 milioni di anni fa”.

Principalmente, però, la ricerca della materia oscura e dell’energia oscura riguarda la comprensione di come opera il nostro universo sui fondamenti più fondamentali livello, e rispondendo a una domanda che in questo momento è assolutamente sconcertante: “Ciò che vediamo intorno a noi è solo il 5% di ciò che c’è nel nostro universo. Il restante 95% è costituito da materia oscura ed energia oscura, qualcosa che difficilmente possiamo spiegare”, ha detto Laureijs. “Questa è, per me, la ragione fondamentale per cui facciamo Euclid”.

È questa strana, inespiabile domanda su cosa sia composto l’universo che spinge scienziati, ingegneri e astronomi che lavorano sulla materia oscura. Perché ciò che vediamo intorno a noi non è altro che la superficie di ciò che esiste nell'ignoto.