I quasar rivelano una nuova era nella storia dell'espansione dell'Universo

Gli astronomi hanno usato una nuova tecnica per mappare un'enorme regione dello spazio e capire effettivamente il ruolo dell'energia oscura nell'evoluzione dell'Universo. Questa tecnica è stata usata durante la Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) – la più grande indagine della terza Sloan Digital Sky Survey (SDSS III) – e si è basata sugli spettri di oltre 48 mila quasar con redshift fino a 3.5. Ciò significa che la luce di queste galassie attive ci sta arrivando dopo un cammino di 11,5 miliardi di anni.

«Nessuna tecnica per la ricerca sull'energia oscura è stata in grado di esplorare quest'epoca antica fino ad oggi, un'era in cui la materia era ancora abbastanza densa da rallentare l'espansione dell'Universo con la propria gravità e l'influenza dell'energia oscura non si era ancora fatta sentire» ha commentato David Shlegel, astrofisico presso la divisione di fisica del laboratorio nazionale Lawrence Berkeley del Dipartimento statunitense per l'Energia. «Oggi, l'espansione sta accelerando dato che l'Universo è dominato dall'energia oscura. Come l'energia oscura abbia influenzato la transizione dal rallentamento all'accelerazione dell'espansione dell'Universo è una delle domande più complicate della cosmologia moderna».

Gli scienziati hanno studiato l'energia oscura usando le cosiddette oscillazioni acustiche barioniche (BAO), ossia le variazioni a grande scala nella distribuzione delle galassie visibili e delle nubi di gas intergalattico, che a loro volta rivelano la presenza dell'energia oscura, impossibile però da osservare direttamente. La distanza regolare tra i picchi nella densità della materia getta le sue radici nelle variazioni di densità primordiali, i cui resti sono ancora visibili nella radiazione cosmica di fondo – ossia le radiazioni elettromagnetiche residue originate dal Big Bang e che "impregnano" l'Universo. Questa spaziatura può essere vista come una sorta di righello cosmico, un'unità di misura utile a calibrare il ritmo dell'espansione dovunque le oscillazioni BAO possano essere misurate con sicurezza.

Usando lo Sloan Foundation Telescope dell'osservatorio Apache Point nel New Mexico, gli scienziati a cura dell'indagine BOSS hanno diviso il loro compito in due parti. La prima consiste nell'analizzare tipiche galassie con redshift fino a 0.8, ossia esistite 7 miliardi di anni fa. I primi risultati di questa colossale analisi che ha coinvolto oltre 300 mila galassie sono stati annunciati a marzo di quest'anno. Per quanto riguarda la seconda parte di questa ricerca, gli scienziati hanno deciso di analizzare oggetti celesti ancor più lontani, abbastanza distanti da poter mappare le oscillazioni BAO nel giovane Universo. Eppure, galassie così lontane non possono essere osservate neanche con un telescopio lungo due metri e mezzo, e perciò gli scienziati hanno cambiato bersaglio: i quasar.

«I quasar sono gli oggetti più luminosi del cielo, e perciò sono l'unica maniera affidabile per misurare spettri con redshift di 2.0 e oltre» continua Schlegel. «A questi redshift, ci sono cento volte più galassie che quasar, ma esse sono troppo poco luminose per essere usate per le oscillazioni BAO».

Anche i quasar, però, non sono del tutto perfetti: sono infatti troppo sparsi in giro per l'Universo per effettuare una ricerca come si deve sulle oscillazioni BAO. Per fortuna, gli scienziati hanno già da tempo sviluppato un metodo di riserva, che consiste nello studiare l'eccesso di linee d'assorbimento dell'idrogeno negli spettri di quasar lontani la cui luce passa attraverso nubi di gas intergalattico. L'insieme di queste linee spettrali d'assorbimento è noto come Foresta Lyman-alfa. Teoricamente, ogni linea d'assorbimento di questa "foresta" rivela dove la luce del quasar ha attraversato una nube di gas che l'ha alterato. Le diverse caratteristiche e i diversi redshift delle linee d'assorbimento in uno stesso spettro di un quasar indicano la variazione della densità del gas a diverse distanze – naturalmente, tenendo conto solo del tragitto in linea d'aria che la luce del quasar ha percorso per raggiungerci.

Nei primi anni del nuovo millennio, Patrick McDonald e Martin White, ora entrambi al laboratorio Berkeley, scoprirono che era possibile mappare tridimensionalmente la distribuzione di queste nubi di gas analizzando un numero abbastanza elevato di quasar vicini fra loro e che ricoprano però un'ampia regione del cielo.

«Quando presentai questa idea a una conferenza di cosmologia nel 2003, tutti pensarono che fossi pazzo» commenta White. «Nove anni dopo, BOSS ci ha mostrato che è una tecnica incredibilmente potente. Ha avuto successo ben oltre i nostri sogni più estremi».

Il successo è stato in parto merito dell'avanzatissimo spettrografo dell'SDSS III, progettato da Natalie Roe del Berkeley Lab. Nonostante questo strumento assolutamente all'altezza del compito, cercare di misurare le oscillazioni BAO usando la Foresta Lyman-alfa è comunque stato un compito ad alto rischio, per molte ragioni. Innanzitutto, le linee d'assorbimento Lyman-Alpha avvengono solo nella parte ultravioletta dello spettro, che è assorbita dall'atmosfera terrestre, e quindi, osservando i quasar dalla superficie del nostro pianeta, bisogna trovare quelli con il redshift perfetto. Inoltre, le linee identificano solo l'idrogeno neutro, mentre nell'Universo è considerabilmente più diffuso l'idrogeno ionizzato.

«Confrontato con un'analisi sulle galassie, cercare le oscillazioni BAO nella Foresta Lyman-alfa è molto più bello – alto rischio, ma alta ricompensa» ha commentato Nicholas Ross, sempre del Laboratorio Berkeley. 

Per ottenere abbastanza spettri di quasar da poter completare la mappatura – un minimo di 15-20 quasar per angolo quadro del cielo – BOSS si sarebbe dovuto dedicare al 10 percento dei due milioni di oggetti singoli. Gli obiettivi sono stati scelti attraverso dati fotometrici, ma solo dopo aver ottenuto ogni spettro gli scienziati potevano capire se si trattava di veri quasar oppure stelle o qualsiasi altro "intruso". Ma BOSS ha scelto di rischiare.

«Abbiamo avuto qualcosa a nostro favore» continua Ross. «Non era importante che tipo di quasar fosse, se aveva un redshift alto. Per identificarli abbiamo potuto usare dati ultravioletti e nel vicino infrarosso - qualsiasi metodo, qualsiasi trucco - dato che avremmo usato i loro spettri solamente per studiare l'intervento delle nubi di gas. Alla fine abbiamo scoperto che tutti i nostri algoritmi per selezionare gli obiettivi hanno funzionato alla grande».

BOSS ha analizzato solamente un terzo del volume di spazio che avrà analizzato alla fine del suo compito. Per facilitare le ricerche, gli scienziati hanno scartato molti dei 60369 quasar confermati da ispezioni visive dei loro spettri.

«Per estrarre le oscillazioni BAO dai dati, abbiamo dovuto rimuovere qualsiasi cosa che potesse distorcere il segnale che stavamo cercando» ha commentato Bill Carithers, sempre del Berkeley Lab. Un esempio di oggetti rifiutati sono dei quasar i cui spettri sono stati "imbrattati" da nubi di gas incredibilmente veloci vicine al centro attivo dei quasar stessi. Altri quasar esclusi dai risultati finali sono quelli i cui spettri hanno reso quasi invisibili le linee d'assorbimento Lyman-alfa, che accade, come spiega Carithers, «quando la luce di un quasar va a sbattere in un colossale ammasso di gas, talmente grande che spazza via la foresta».

Eliminati gli spettri inutili, gli scienziati si sono ritrovati con 48129 quasar. Ma, nel maggio 2011, un team guidato da Anze Slosar del Brookhaven National Laboratory aveva dimostrato come si potesse misurare la variazione della densità dell'idrogeno intergalattico usando solamente 14 mila dei quasar trovati da BOSS – rendendo molto meno pesante il lavoro degli scienziati.

«Non cerchiamo le informazioni specifiche in una singola linea d'aria, ma cerchiamo i punti in comune fra tante di queste» continua Carithers. «BOSS è il primo a fare ciò dato che abbiamo avuto abbastanza quasar - con troppo pochi, non si possono intravedere le ripetizioni».

Oltre a dare una mano nella conversione dei dati non processati ottenuti dal telescopio in informazioni scientifiche utili, Stephen Bailey del Berkeley Lab è stato incaricato di generare alcune simulazioni di tabelle di dati per essere sicure che le analisi fossero valide. «Le simulazioni sono importanti quando stai cercando di misurare qualcosa che non è mai stato misurato prima» ha commentato Bailey. «Sappiamo dove sono i veri quasar e conosciamo i meccanismi fisici del gas, ma non sappiamo dov'è il gas».

Gli spettri delle simulazioni sono stati sviluppati dal computer cluster Riemann Linux fornito dall'High Performance Computing Services Group del Berkeley Lab. Le analisi hanno dimostrato che le foreste Lyman-alfa di oltre 48 mila quasar mostravano risultati molto simili.

«L'immagine della distribuzione della densità che abbiamo prodotto ci fornisce una prima occhiata alle oscillazioni BAO in una regione fino ad ora nascosta» conclude Bailey.

«Non esiste un altro metodo affidabile che avremmo potuto usare per misurare le oscillazioni BAO a redshift di due o più» continua Schlegel. «Cinque anni fa era molto incerto, ma era la nostra unica possibilità. Avremmo potuto fallire in diversi modi, ma la natura è stata buona con noi».

«Stiamo guardando indietro ad un Universo dominato dalla materia, dove l'espansione stava decelerando e l'energia oscura era difficile da vedere» conclude White. «La transizione dall'espansione in rallentamento all'espansione in accelerazione è stata improvvisa e violenta, e ora viviamo in un Universo dominato dall'energia oscura. Il più grande puzzle della cosmologia è, perché ora?».

Fonte

DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory. "BOSS quasars unveil a new era in the expansion history of the universe." ScienceDaily, 12 Nov. 2012. Web. 13 Nov. 2012.

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Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory; Nic Ross, BOSS Lyman-alpha team, Berkeley Lab; e Springel et al, Virgo Consortium e Max Planck Institute for Astrophysics