È della scorsa settimana l’annuncio fatto dal team di BOSS di una nuova misura della decelerazione nell’espansione dell’Universo nei suoi primi miliardi di anni di vita. BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) è un progetto condotto all’interno della survey spettroscopica SDSS, un esperimento che misura le posizioni e gli spettri elettromagnetici di quasi un milione di oggetti del cielo a grandi distanze, fino a una decina di miliardi di anni luce.
Dal momento che la luce si propaga nello spazio con una velocità elevata ma non infinita, questo implica che tale luce sia stata emessa miliardi di anni fa, quando l’Universo era molto più giovane di oggi. Esperimenti come SDSS consentono quindi ai cosmologi di effettuare un viaggio nel passato, per ricostruire la storia del cosmo negli ultimi quattordici miliardi di anni, dal Big Bang fino ad oggi.
Oggi appare assodato che l’Universo sia soggetto a una espansione iniziata col Big Bang e tuttora operante. Questa espansione procede per inerzia, ma viene contrastata dalla gravità che la rallenta progressivamente. Nel 1998 però tre cosmologi (Saul Perlmutter, Adam G. Riess e Brian P. Schmidt, che vinsero per questa scoperta il premio Nobel per la fisica nel 2011) scoprirono che negli ultimi 5-6 miliardi di anni tale espansione ha iniziato ad accelerare. Il risultato, completamente inaspettato, è stato ascritto a una energia oscura che, come se soffiasse nello spazio nel quale siamo immersi, lo gonfiasse vincendo l’opposizione della gravità. La natura di questa energia però resta ancora un mistero.
Un metodo molto usato per studiare tale accelerazione consiste nello studio delle oscillazioni acustiche barioniche (BAO), onde di densità propagatesi nella materia durante l’evoluzione dell’Universo, la cui misurazione consente di comprendere la velocità dell’espansione dello spazio. Oltre a lasciare un effetto visibile nella radiazione cosmica di fondo (CMB), le BAO possono essere misurate anche costruendo mappe tridimensionali della distribuzione della massa di galassie e di nubi di gas e studiandone la distribuzione nello spazio-tempo.
Sinora le BAO sono state utili per comprendere l’espansione dell’Universo negli ultimi miliardi di anni, quando l’energia oscura aveva già iniziato ad accelerare l’espansione; ma non era mai stato possibile impiegarle per le epoche più primitive (in cui l’espansione era ancora in fase di rallentamento) in quanto gli oggetti risalenti a quell’epoca sono troppo deboli per poter essere studiati dai telescopi.
Il team di BOSS è però riuscito a trovare un metodo per aggirare questa limitazione, basandosi sulla luce ricevuta dai quasar, nuclei galattici dalla straordinaria luminosità intrinseca e quindi ben visibili anche a grandi distanze. Sfortunatamente, i quasar oggi noti sono troppo rari per raggiungere l’accuratezza necessaria nello studio delle BAO (BOSS ne ha misurati 60.369, ma si sa che le deboli galassie intorno a loro sono almeno cento volte tanto). Dal momento però che la luce di questi quasar ha compiuto un tragitto così lungo, essa deve avere certamente interagito con numerose nubi di idrogeno durante il suo viaggio; e le BAO possono essere misurate anche usando tali nubi, che sono però quasi invisibili. Esse sono però capaci di modificare lo spettro della luce che le attraversa, inducendo una caratteristica riga (con questo gergo si intende che l’intensità luminosa viene ridotta per una lunghezza d’onda ben nota, ossia 121,6 nanometri, mentre rimane sostanzialmente inalterata per le altre). Una volta attraversata la nube, la luce continua nel suo viaggio; a causa dell’espansione dello spazio però la riga si sposta sempre più verso il rosso, a maggiori lunghezze d’onda.
Un successivo incontro con una nube indurrà una nuova riga a 121,6 nanometri, che però non si sovrapporrà più alla precedente. Lo spettro della luce che ci giunge dai quasar è quindi ricco di una fitta serie di righe (una per ogni nube di idrogeno attraversata), la cosiddetta foresta Lyman-α. Da tali righe è possibile identificare la distanza e, grosso modo, la densità di ogni nube di gas che si sia trovata lungo la direzione di osservazione del quasar. La luce di un solo quasar è quindi in linea di principio sufficiente per caratterizzare centinaia e più di nubi di idrogeno. Il processo fisico è ben descritto dall’immagine in apertura.
I punti rossi a sinistra sono i quasar, i cui raggi di luce attraversano i filamenti gassosi di colore viola e giallo prima di raggiungere lo spettrografo di BOSS (quadrato a destra). Nel riquadro in basso a sinistra è raffigurato un tipico spettro di quasar: le righe verticali sono state causate dall’attraversamento di una nube di idrogeno da parte della luce del quasar. Il risultato di questo notevolissimo studio è ben descritto dal grafico diffuso da BOSS.
Il grafico mostra come tasso di espansione dell’Universo evolva col passare del tempo, misurato in miliardi di anni rispetto ad oggi (tempo zero). I punti neri mostrano i risultati di alcune misurazioni fatte con i metodi tradizionali di studio delle BAO: come si vede, essi non riescono ad andare oltre i 5-6 miliardi di anni nel passato, a causa della sempre maggiore debolezza degli oggetti osservati. Il punto rosso rappresenta invece la nuova misura fatta da BOSS e descritta nell’articolo: esso misura la velocità di espansione in un tempo molto più remoto, più di dieci miliardi di anni fa. La curva bianca rappresenta un’estrapolazione dei dati sperimentali, e mostra come la velocità di espansione diminuì fino a circa 6 miliardi di anni, quando raggiunse un minimo e l’energia oscura iniziò a far sentire la sua influenza provocando un’accelerazione.
Il team di BOSS prevede ora di aumentare di tre volte il numero di quasar usati per l’analisi: questi futuri risultati di BOSS, insieme agli attesi articoli cosmologici della missione Planck che vedranno la luce all’inizio del 2013, permetteranno di comprendere sempre meglio il meccanismo che ha portato l’energia oscura a dominare il processo evolutivo dell’Universo. E non dimentichiamo che nel 2019 è previsto il lancio della missione spaziale Euclid, che effettuerà misure accuratissime delle BAO consentendo di ricostruire ancora meglio la storia dell’espansione negli ultimi 6 miliardi di anni. Questi sono decisamente tempi eccitanti per la cosmologia!