Indagare la storia dell’universo con i dati a onde multiple
La radiazione cosmica di fondo (CMB, cosmic microwave background) è la prima luce emessa nell’universo, circa 14 miliardi di anni fa, ed è oggi osservata come radiazione elettromagnetica a microonde. Questa luce permea l’universo e funge da retroilluminazione alla distribuzione delle galassie nell’universo più recente, che osserviamo con telescopi che operano principalmente a lunghezze d’onda ottiche o infrarosse. Il progetto PiCOGAMBAS, intrapreso con il supporto del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, intendeva sviluppare nuovi metodi per effettuare studi congiunti di correlazione incrociata tra i dati della CMB e quelli delle indagini galattiche. «Abbiamo utilizzato i dati attuali per testare e dimostrare le nostre nuove idee, che hanno comportato una combinazione di progettazione e implementazione di simulazioni numeriche e tecniche statistiche, nonché l’analisi dei dati reali», spiega il ricercatore principale Giulio Fabbian. L’obiettivo: correlare le mappe delle galassie con le mappe delle firme delle galassie nei dati CMB. In questo modo, i ricercatori possono studiare i processi fisici comuni e sottostanti attivi nell’universo all’inizio e alla fine del tempo, che influenzano sia la CMB che le galassie.
Approfondimenti sull’universo primordiale
L’osservazione della polarizzazione della CMB, soprattutto dei cosiddetti modi-B che sono l’obiettivo principale dei nuovi esperimenti, è il modo migliore per capire come si sono formate le prime perturbazioni nella distribuzione della materia oscura subito dopo il Big Bang epoca dell’inflazione. Queste sono poi cresciute e hanno portato alla formazione delle galassie che vediamo oggi. «Il lensing gravitazionale della CMB, tuttavia, può nascondere il segnale dell’inflazione. Crea dei modi-B spuri che generano confusione. Idealmente, dobbiamo in qualche modo “annullare”, o tenere conto, dell’effetto del lensing per misurare davvero il segnale primordiale», osserva Fabbian. Per farlo, i ricercatori hanno bisogno di misurazioni precise della distribuzione della materia nell’universo, responsabile della lentezza della CMB. Ed è qui che entrano in gioco le indagini sulle galassie. PiCOGAMBAS ha identificato e modellato nuovi effetti derivanti dalle semplificazioni utilizzate sul campo per la modellazione e l’analisi della CMB, delle mappe di lensing CMB e dei loro segnali di cross-correlazione. «La preoccupazione è che queste possano portare a un’errata deduzione delle proprietà dell’energia oscura, della materia oscura o della storia dell’espansione dell’universo», aggiunge.
Verifica dei modelli di materia oscura, energia oscura e inflazione
Utilizzando i dati ottici della missione Gaia della Agenzia spaziale europea (ESA), in combinazione con le misure del lensing della CMB, PiCOGAMBAS ha verificato la storia dell’espansione dell’universo e le proprietà della materia oscura. Gaia è stata inizialmente progettata per misurare il movimento delle stelle nelle nostre galassie, ma ha scoperto per caso molte galassie massicce lontane alimentate da buchi neri supermassicci, noti come quasar. «Abbiamo lavorato duramente per separare le stelle residue da questi candidati quasar con tecniche di apprendimento automatico e dati astronomici esterni», spiega. L’attuale generazione di dati evidenzia tensioni tra le misurazioni effettuate nel tardo universo dalle indagini sulle galassie dalla Terra e le previsioni del modello Lambda-CDM derivate principalmente dalle osservazioni della CMB. Questo nuovo catalogo di alta qualità ha permesso al progetto di dimostrare che le tensioni cosmologiche non ci sono, ma sono probabilmente effetti osservativi, o limitazioni, dei dati a terra. Ha inoltre permesso a Fabbian di analizzare il modello Lambda-CDM in un’epoca nuova, senza precedenti, e di mostrare che la cosmologia dedotta dalla CMB sembra essere coerente in 12 miliardi di anni di storia dell’universo. «Abbiamo fornito nuovi modi e strumenti statistici per testare i modelli di materia oscura, energia oscura e inflazione». Queste includono la combinazione di vuoti cosmici (regioni dello spazio in cui non vediamo galassie) e mappe di lensing della CMB. «Abbiamo anche esaminato le deviazioni dalla legge di emissione del corpo nero della CMB e la loro correlazione con le mappe delle anisotropie della CMB», spiega. Questi risultati saranno utilizzati per l’analisi dei prossimi dati provenienti dal satellite Euclid dell’ESA e dall’Osservatorio Simons. Fabbian non vede l’ora di iniziare questo lavoro: «Nei prossimi anni miglioreremo enormemente la nostra conoscenza dell’universo».
Parole chiave
PiCOGAMBAS, universo primordiale, materia oscura, energia oscura, radiazione cosmica di fondo
