La Dark Energy Survey Collaboration ha raccolto informazioni su centinaia di milioni di galassie in tutto l’Universo utilizzando la Dark Energy Camera, realizzata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e montata sul telescopio da 4 metri Víctor M. Blanco della National Science Foundation presso il CTIO, un programma dell’NSF NOIRLab. L’analisi completa combina per la prima volta tutti i sei anni di dati e fornisce vincoli sulla storia dell’espansione dell’Universo due volte più rigorosi rispetto alle analisi precedenti. Il Dark Energy Survey ( DES ) è uno sforzo collaborativo internazionale per mappare centinaia di milioni di galassie, rilevare migliaia di supernovae e trovare modelli di struttura cosmica che aiuteranno a svelare la natura della misteriosa energia oscura che sta accelerando l’espansione del nostro Universo.
Dal 2013 al 2019, la Collaborazione DES ha effettuato un’indagine approfondita e su vasta area del cielo utilizzando la Dark Energy Camera ( DECam ) da 570 megapixel realizzata dal DOE, montata sul telescopio NSF Víctor M. Blanco da 4 metri presso l’Osservatorio Interamericano NSF Cerro Tololo ( CTIO ) in Cile. Per 758 notti in sei anni, la Collaborazione DES ha registrato informazioni da 669 milioni di galassie che distano miliardi di anni luce dalla Terra, coprendo un ottavo del cielo.
Oggi, la Collaborazione DES pubblica risultati che, per la prima volta, combinano tutti i sei anni di dati raccolti dalle sonde di lente gravitazionale debole e di ammassi di galassie, due tecniche per misurare la storia di espansione dell’Universo. La collaborazione presenta anche i primi risultati ottenuti combinando tutti e quattro i metodi di misurazione della storia di espansione dell’Universo – oscillazioni acustiche barioniche ( BAO ), supernovae di tipo Ia, ammassi di galassie e lente gravitazionale debole – come proposto all’inizio del DES 25 anni fa. L’ articolo, inviato a Physical Review D, rappresenta una sintesi di 18 articoli di supporto .
“È una sensazione incredibile vedere questi risultati basati su tutti i dati e con tutte e quattro le sonde che il DES aveva pianificato. Era qualcosa che avrei solo osato sognare quando il DES ha iniziato a raccogliere dati, e ora il sogno si è avverato”, afferma Yuanyuan Zhang, assistente astronomo presso NSF NOIRLab e membro della Collaborazione DES.
L’analisi fornisce nuovi vincoli più stringenti che restringono i possibili modelli di comportamento dell’Universo. Questi vincoli sono più del doppio più rigorosi di quelli delle precedenti analisi DES, pur rimanendo coerenti con i risultati precedenti del DES .
“Questi risultati del Dark Energy Survey gettano nuova luce sulla nostra comprensione dell’Universo e della sua espansione”, ha affermato Regina Rameika, Direttore Associato dell’Ufficio di Fisica delle Alte Energie presso l’Ufficio Scientifico del Dipartimento dell’Energia ( DOE/SC ). “Dimostrano come investimenti a lungo termine nella ricerca e la combinazione di più tipi di analisi possano fornire informazioni su alcuni dei più grandi misteri dell’Universo”.
Il primo indizio dell’energia oscura fu scoperto circa un secolo fa, quando gli astronomi notarono che le galassie distanti sembravano allontanarsi da noi. In effetti, più una galassia è lontana, più velocemente si allontana. Questo fornì la prima prova fondamentale che l’Universo si sta espandendo. Ma poiché l’Universo è permeato dalla gravità, una forza che tiene insieme la materia, gli astronomi si aspettavano che l’espansione rallentasse nel tempo.
Poi, nel 1998, due team indipendenti di cosmologi hanno utilizzato supernovae distanti per scoprire che l’espansione dell’Universo sta accelerando anziché rallentare. Per spiegare queste osservazioni, hanno proposto un nuovo tipo di fenomeno responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo: l’energia oscura. Gli astrofisici ora ritengono che l’energia oscura costituisca circa il 70% della densità di massa-energia dell’Universo. Eppure, ne sappiamo ancora molto poco.
Negli anni successivi, gli scienziati iniziarono a ideare esperimenti per studiare l’energia oscura, tra cui il DES. Oggi, il DES è una collaborazione internazionale di oltre 400 astrofisici e scienziati provenienti da 35 istituzioni in sette paesi, guidata dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia.
Per i risultati più recenti, gli scienziati del DES hanno notevolmente migliorato i metodi che utilizzano il lensing debole per ricostruire in modo affidabile la distribuzione della materia nell’Universo. Il lensing debole è la distorsione della luce proveniente da galassie distanti dovuta alla gravità della materia interposta, come gli ammassi di galassie. Lo hanno fatto misurando la probabilità che due galassie si trovino a una certa distanza l’una dall’altra e la probabilità che siano anch’esse distorte in modo simile dal lensing debole. Ricostruendo la distribuzione della materia in sei miliardi di anni di storia cosmica, queste misurazioni del lensing debole e della distribuzione delle galassie indicano agli scienziati quanta energia oscura e materia oscura è presente in ogni istante.
In questa analisi, DES ha testato due modelli dell’Universo a fronte dei propri dati. Il modello cosmologico standard attualmente accettato – la materia oscura fredda Lambda ( ΛCDM ) – in cui la densità di energia oscura è costante. Esiste anche un modello esteso , in cui la densità di energia oscura evolve nel tempo – la materia oscura fredda Lambda (ΛCDM).
Il DES ha scoperto che i suoi dati erano per lo più in linea con il modello cosmologico standard. I loro dati si adattavano anche al modello evolutivo dell’energia oscura, ma non meglio di quanto si adattassero al modello standard.
Tuttavia, un parametro è ancora fuori strada. Sulla base delle misurazioni dell’Universo primordiale, sia i modelli standard che quelli in evoluzione dell’energia oscura prevedono come la materia nell’Universo si ammassi in epoche successive. In analisi precedenti, l’ammasso di galassie era risultato diverso da quanto previsto. Quando DES ha aggiunto i dati più recenti, questo divario si è ampliato, ma non ancora al punto da garantire la certezza che il modello cosmologico standard sia errato. La differenza è persistita anche quando DES ha combinato i propri dati con quelli di altri esperimenti.
Successivamente, DES combinerà questo lavoro con i vincoli più recenti di altri esperimenti sull’energia oscura per studiare modelli alternativi di gravità ed energia oscura. Questa analisi è importante anche perché apre la strada al nuovo Osservatorio Vera C. Rubin dell’NSF-DOE , finanziato dall’NSF e dal DOE/SC e gestito congiuntamente da NSF NOIRLab e SLAC, per raccogliere dati complementari durante il suo decennale Legacy Survey of Space and Time ( LSST ). LSST è un’indagine ampia e profonda che catalogherà circa 20 miliardi di galassie in tutto il cielo dell’emisfero australe. I dati possono essere combinati con quelli di indagini come DES per consentire misurazioni ad alta precisione di parametri cosmologici che affineranno ulteriormente la nostra comprensione dell’energia oscura e della storia dell’espansione dell’Universo.
“DES è stato trasformativo e l’Osservatorio Vera C. Rubin dell’NSF-DOE ci porterà ancora più lontano”, ha affermato Chris Davis, Direttore del Programma NSF per NOIRLab. “L’indagine senza precedenti del cielo australe condotta da Rubin consentirà nuovi test sulla gravità e farà luce sull’energia oscura”.