Utilizzando la Dark Energy Camera montata sul telescopio Víctor M. Blanco da 4 metri presso l’Osservatorio di Cerro Tololo, l’indagine Dark Energy Survey ha ottenuto il più grande campione di supernovae mai realizzato con un singolo telescopio.

Un’analisi approfondita basata su questo catalogo ha preso in esame quasi 1500 supernovae estremamente distanti. Grazie a questo studio, il Dark Energy Survey ha fornito i dati più precisi sull’espansione dell’Universo mai ottenuti e ha trovato indizi che la densità dell’energia oscura dell’Universo può variare nel tempo.

Dalle supernovae all’energia oscura: il motore dell’universo

Nel 1998 due gruppi separati di astrofisici, utilizzando i telescopi dell’Osservatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), scoprirono che l’Universo si sta espandendo a un ritmo accelerato. Questo fenomeno è attribuito a un’entità misteriosa chiamata energia oscura, che secondo i modelli attuali costituisce circa il 70% del nostro Universo. La scoperta fu una sorpresa per gli astrofisici che, all’epoca, si aspettavano un rallentamento dell’espansione dell’Universo, e fu resa possibile dall’osservazione di una particolare classe di stelle in esplosione, chiamate supernovae di tipo Ia.

Questo tipo di supernovae si verificano quando una nana bianca al carbonio-ossigeno supera una massa limite, a seguito di un lungo processo di accrescimento, ed esplode liberando enormi quantità di energia. Quella massa critica è quasi la stessa per tutte le nane bianche, quindi tutte le supernovae di tipo Ia hanno all’incirca la stessa luminosità assoluta. Confrontando la luminosità apparente, gli astronomi possono determinare le distanze relative dalla Terra.

Oggi, 25 anni dopo la scoperta iniziale, gli scienziati che lavorano al Dark Energy Survey (DES) hanno pubblicato i risultati di un’analisi senza precedenti, effettuata utilizzando sempre le supernovae di tipo Ia. L’obbiettivo è indagare ulteriormente i misteri dell’energia oscura e ottenere dati che spieghino come questa energia alimenti l’espansione dell’Universo.

I risultati di questa analisi si sono mostrati coerenti con il modello cosmologico standard di un Universo con un’espansione accelerata. Tuttavia, i risultati non sono sufficientemente definitivi da escludere un modello forse più complesso di quello attualmente conosciuto.

Un campione di supernovae straordinario

Il DES utilizza la Dark Energy Camera (DECam), una fotocamera digitale da 570 megapixel costruita dal Fermilab montata sul telescopio Víctor M. Blanco al CTIO in Cile. Raccogliendo dati in 758 notti durante un periodo di sei anni, gli scienziati del DES hanno mappato un’area pari a quasi un ottavo dell’intero cielo.

Grazie a questi potentissimi strumenti sono state osservate circa due milioni di galassie distanti milioni di anni luce, grazie al quale il team DES ha individuato diverse migliaia di supernovae. I ricercatori hanno quindi utilizzato tecniche avanzate di apprendimento automatico per facilitare la classificazione delle supernovae individuando ben 1499 probabili supernovae di tipo Ia. “Si tratta di un aumento davvero enorme rispetto a 25 anni fa, quando solo 52 supernovae furono utilizzate per indagare l’energia oscura” ha affermato Tamara Davis, co-convocatrice del DES Supernova Working Group.

Questo ampio campione di supernovae, poste a distanze differenti tra di loro, può essere utilizzato per tracciare la storia dell’espansione del cosmo. Per ogni supernova, gli scienziati del DES combinano diversi dati, tra cui la sua distanza e il suo spostamento verso il rosso (redshift), utile per capire la velocità con cui si allontana dalla Terra a causa dell’espansione dell’Universo. Insieme, questi due fattori possono fornire informazioni riguardo a come la densità di energia oscura dell’Universo è cambiata nel tempo.

Modello cosmologico standard: confermato?

Il modello cosmologico standard è noto come ΛCDM, Lambda Cold Dark Matter model. Questo modello matematico descrive come si evolve l’Universo basandosi su alcune informazioni, come la densità della materia, il tipo di materia e il comportamento dell’energia oscura. Mentre ΛCDM presuppone che la densità dell’energia oscura nell’Universo sia costante nel tempo cosmico e non si diluisca man mano che l’Universo si espande, le analisi del DES Supernova Survey suggeriscono che ciò potrebbe non essere vero.

I risultati sono stati ottenuti combinando i dati DES con dati complementari provenienti dal telescopio Planck dell’ESA. Per la prima volta sono state studiate supernove abbastanza distanti per effettuare una misurazione altamente dettagliata della fase di decelerazione dell’Universo, che secondo il modello cosmologico standard è avvenuta in passato, e per vedere dove l’Universo passa dalla decelerazione all’accelerazione.

“Ci sono indizi che suggeriscono che l’energia oscura potrebbe cambiare nel tempo” ha detto Davis. “Il modello ΛCDM non è completamente sbagliato, ma non sembra essere la soluzione migliore per capire cosa sta accelerando l’Universo. Grazie a queste nuove ricerche si è capito che la soluzione potrebbe essere ancora più complessa”.

Le tecniche innovative sperimentate dal DES guideranno le future analisi astrofisiche. Progetti come l’imminente Legacy Survey of Space and Time, che sarà condotto dall’Osservatorio Vera C. Rubin, riprenderanno dove il DES è stato interrotto. “Stiamo sperimentando tecniche che saranno direttamente vantaggiose per la prossima generazione di indagini sulle supernovae” ha affermato il direttore e portavoce del DES, Rich Kron. Nigel Sharp, direttore del programma, ha aggiunto: “Abbiamo bisogno di quanti più approcci diversi possibili per capire cos’è energia oscura e cosa non lo è. Questa è una delle strade da seguire per comprenderla”.

Lo studio completo è reperibile qui in versione pre-print.