L'universo osservabile rappresenta appena il 5% della realtà cosmica: il restante 95% è costituito da componenti invisibili che gli astrofisici chiamano materia oscura ed energia oscura. Questi costituenti fondamentali dell'universo non emettono radiazione elettromagnetica, rendendo impossibile la loro osservazione diretta, ma la loro influenza sulla struttura e l'evoluzione del cosmo è inequivocabile. Un nuovo studio dell'Università di Chicago, pubblicato sull'Open Journal of Astrophysics, ha analizzato le forme di oltre 270 milioni di galassie per testare il modello cosmologico standard e far luce su uno dei più intriganti enigmi della fisica contemporanea: l'apparente discrepanza tra le misurazioni dell'universo primordiale e quelle dell'universo recente.
Il progetto DECADE (Dark Energy Camera All Data Everywhere) ha adottato un approccio metodologico inedito nel campo della cosmologia osservativa. Mentre tradizionalmente le survey di weak lensing gravitazionale utilizzano esclusivamente immagini raccolte secondo protocolli rigorosissimi nel corso di anni di osservazioni dedicate, i ricercatori guidati da Chihway Chang, professoressa associata di Astronomia e Astrofisica presso l'Università di Chicago, hanno recuperato e analizzato dati d'archivio della Dark Energy Camera (DECam), montata sul telescopio Blanco di 4 metri presso il Cerro Tololo Inter-American Observatory in Cile. Queste immagini, originariamente acquisite dalla comunità astronomica per obiettivi scientifici diversissimi tra loro – dallo studio delle galassie nane agli ammassi galattici distanti – sono state riprocessate con criteri di qualità significativamente più permissivi rispetto agli standard convenzionali.
La tecnica del weak gravitational lensing sfrutta un fenomeno previsto dalla relatività generale di Einstein: la massa deforma lo spaziotempo, curvando la traiettoria dei fotoni che lo attraversano. Quando la luce emessa da galassie lontane attraversa regioni di spazio contenenti concentrazioni di materia ordinaria e oscura, la sua traiettoria viene leggermente deflessa, producendo una distorsione minuscola ma misurabile nella forma apparente delle galassie osservate dalla Terra. Questo effetto, chiamato cosmic shear, fornisce una mappa tridimensionale della distribuzione di massa nell'universo, inclusa la componente oscura che costituisce circa il 27% del bilancio energetico cosmico.
Dhayaa Anbajagane, dottorando in Astronomia e Astrofisica e primo autore della serie di articoli DECADE, spiega che le misurazioni di weak lensing sono particolarmente efficaci nel quantificare la "grumosità" della materia cosmica. Questo parametro fondamentale – tecnicamente definito come l'ampiezza delle fluttuazioni di densità – contiene informazioni cruciali sull'origine e l'evoluzione delle strutture cosmiche, dai filamenti di materia oscura che pervadono l'universo fino agli ammassi di galassie che si formano nei loro nodi più densi. Il team ha misurato le forme di oltre 100 milioni di galassie nelle immagini d'archivio di DECam, quasi raddoppiando il numero di galassie analizzate dalla Dark Energy Survey (DES), che tra il 2013 e il 2019 aveva mappato circa 5.000 gradi quadrati del cielo australe, pari a circa un ottavo della sfera celeste.
Per ciascuna galassia, i ricercatori hanno stimato la distanza utilizzando il redshift fotometrico, una tecnica che analizza lo spostamento verso lunghezze d'onda maggiori della radiazione elettromagnetica causato dall'espansione dell'universo. Maggiore è il redshift, più velocemente la galassia si allontana da noi e maggiore è la sua distanza. Questa informazione tridimensionale – forma e distanza – permette di ricostruire come la materia si è distribuita nel cosmo nel corso degli ultimi miliardi di anni e di confrontare le osservazioni con le previsioni del modello Lambda-CDM (LCDM), il framework teorico standard che descrive un universo dominato da energia oscura (Lambda) e materia oscura fredda (Cold Dark Matter).
I risultati dell'analisi DECADE confermano che la crescita delle strutture cosmiche è compatibile con le previsioni del modello LCDM, allineandosi con precedenti studi di weak lensing. Ma l'aspetto più significativo riguarda la cosiddetta "tensione cosmologica": negli ultimi cinque anni, diverse survey galattiche dell'universo recente sembravano mostrare valori del tasso di espansione e della densità di materia leggermente discordanti rispetto a quelli estrapolati dalle osservazioni della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), la radiazione fossile del Big Bang che permea l'universo e che fornisce un'istantanea del cosmo quando aveva appena 380.000 anni. I dati DECADE, analizzando una regione di cielo completamente indipendente da quella della DES ma su scala comparabile, non rilevano questa tensione, suggerendo che le precedenti discrepanze potrebbero essere dovute a fluttuazioni statistiche o a sottili effetti sistematici ancora da comprendere completamente.
Alex Drlica-Wagner, scienziato presso il Fermilab e professore associato presso l'Università di Chicago che ha guidato la campagna osservativa DECADE, sottolinea che il successo del progetto non era affatto scontato all'inizio. La qualità delle immagini d'archivio, raccolte senza gli stringenti requisiti delle survey cosmologiche dedicate, avrebbe potuto comprometterne l'utilizzo per analisi di weak lensing, dove segnali dell'ordine dell'1% di distorsione devono essere estratti da centinaia di milioni di galassie. L'ispezione accurata delle immagini, coordinata dalla dottoranda Chin Yi Tan del Dipartimento di Fisica, è stata cruciale per identificare i frame utilizzabili e sviluppare pipeline di riduzione dati robuste.
L'approccio metodologico di DECADE ha implicazioni che vanno oltre i risultati cosmologici immediati. La possibilità di utilizzare dati d'archivio con criteri meno restrittivi potrebbe influenzare le strategie osservative di future survey come il Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (LSST), che inizierà le operazioni nei prossimi anni. Massimizzare la frazione di immagini scientificamente utili significa aumentare la precisione statistica delle misurazioni cosmologiche senza richiedere tempo telescopio aggiuntivo, una risorsa sempre più preziosa nell'era della "big data astronomy". Il catalogo finale, contenente forme e distanze di 270 milioni di galassie su un terzo della sfera celeste, è stato reso pubblico nell'autunno del 2024 ed è già utilizzato dalla comunità scientifica per studi sulle galassie nane e per produrre nuove mappe tridimensionali della distribuzione di massa nell'universo.
La collaborazione DECADE ha coinvolto ricercatori dell'Università di Chicago, del Fermilab, del National Center for Supercomputing Applications (NCSA) presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, dell'Argonne National Laboratory, dell'Università del Wisconsin-Madison e di numerose altre istituzioni internazionali. Chihway Chang evidenzia come la prossimità fisica di diversi gruppi di ricerca all'interno del Kavli Institute for Cosmological Physics abbia facilitato scambi metodologici inattesi e proficui. I prossimi passi includono l'applicazione di tecniche analitiche alternative ai dati DECADE e la preparazione per affrontare le sfide poste dai dataset ancora più massicci che arriveranno dalla prossima generazione di survey celesti, nella continua ricerca di comprendere la natura dei costituenti oscuri che dominano il nostro universo.
