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L’universo si sta espandendo verso l’esterno, mentre lo spazio stesso si allunga, forse sotto la forza di una misteriosa pressione cosmica nota come energia oscura. È un tema che sto approfondendo da un po' di tempo: gli astronomi hanno scoperto che, su scala cosmologica, l’espansione dell’universo sta accelerando: le galassie sufficientemente lontane tendono ad allontanarsi le une dalle altre sempre più rapidamente. Il fenomeno viene attribuito a una componente ancora misteriosa del cosmo, chiamata energia oscura, anche se la sua vera natura rimane sconosciuta. I sistemi legati dalla gravità, come le singole galassie o i gruppi di galassie, non vengono invece semplicemente “dilaniati” dall’espansione dello spazio. Allo stesso tempo, le stelle ruotano attorno ai margini delle galassie a una velocità tale che dovrebbero staccarsene, eppure rimangono legate da una sorta di ancoraggio invisibile: un fenomeno che suggerisce l’esistenza di un’altra componente misteriosa, la materia oscura. Nel frattempo, nello spazio di ricerca di altri mondi, i sistemi planetari simili al nostro rimangono molto difficili da individuare. La maggior parte dei migliaia di esopianeti oggi conosciuti è costituita da mondi giganteschi, oppure da pianeti che orbitano a distanza vertiginosamente ravvicinata attorno alla propria stella, o da entrambe le cose. Gli astronomi sono quindi impazienti di scoprire quanto siano comuni i mondi simili alla Terra.
È proprio per esplorare questi e altri misteri che la NASA ha lanciato il Nancy Grace Roman Space Telescope, il nuovo grande osservatorio spaziale destinato a studiare l’universo con una combinazione inedita di ampiezza e profondità.
Chiamato Nancy Grace Roman, in onore della prima responsabile dell’astronomia della NASA e della scienziata spesso ricordata come la “madre” del telescopio spaziale Hubble - di cui abbiamo parlato nell'articolo dedicato alle nebulose - Roman ha un campo visivo almeno 100 volte più ampio di quello di Hubble, pur mantenendo la stessa risoluzione angolare. Nel corso della sua vita operativa potrebbe arrivare a misurare la luce di un miliardo di galassie.
Il telescopio unirà un ampio campo di vista a una nitida visione nell’infrarosso per scandagliare vaste e profonde porzioni di cielo e indagare a fondo la storia cosmica. Ma la missione è stata progettata soprattutto per aiutare gli astronomi a studiare materia oscura, energia oscura ed esopianeti; le sue indagini produrranno una quantità di dati tale da aprire opportunità per ulteriori ricerche: dagli oggetti ai confini del nostro sistema solare alle stelle che esplodono, passando per i buchi neri in crescita e miliardi di galassie, quasi nulla sarà al di fuori della portata di Roman.
Il lancio
Tutti abbiamo visto, il 30 agosto 2026, il telescopio spaziale Nancy Grace Roman partire dal Kennedy Space Center, in Florida, iniziando un viaggio di circa tre mesi e un milione di miglia verso la sua orbita finale. Il lancio è avvenuto alle 7:26 EDT, a bordo di un razzo Falcon Heavy di SpaceX.
Il team di controllo a terra del Goddard Space Flight Center della NASA, a Greenbelt, nel Maryland, ha iniziato a ricevere i dati di telemetria da Roman sette minuti dopo il lancio. Il Falcon Heavy si è comportato come previsto. I due booster laterali si sono separati dal nucleo centrale e sono rientrati in sicurezza al sito di lancio per la manutenzione, mentre il secondo stadio ha proseguito il viaggio con Roman a bordo.
La separazione dell’osservatorio dal secondo stadio è avvenuta circa 31 minuti dopo il decollo: Roman ha così iniziato il proprio viaggio autonomo verso il secondo punto lagrangiano Sole-Terra, L2, a circa un milione di miglia dalla Terra.
Durante il lancio e nelle prime fasi dell’orbita, Roman utilizza le stazioni di terra e i satelliti di ritrasmissione del Near Space Network per scambiare dati di tracciamento, telemetria e comando con i controllori di terra. Durante il viaggio verso L2, Roman manterrà i collegamenti con la Terra attraverso diverse reti di comunicazione. Il Near Space Network sarà utilizzato per il trasferimento dei dati scientifici ad alta velocità, mentre il Deep Space Network fornirà soprattutto dati di tracciamento fondamentali per determinare con precisione posizione e movimento della navicella. Al supporto contribuiranno inoltre le stazioni di terra di ESA e JAXA.
Un telescopio progettato per vedere lontano e velocemente
Poche settimane dopo l’inizio del viaggio di Roman, si attiverà il suo strumento principale, il Wide Field Instrument. È una gigantesca fotocamera a infrarossi da oltre 300 megapixel: per fare un confronto, una macchina fotografica digitale da 24 megapixel avrebbe circa 12 volte meno pixel. Il WFI è composto da 18 rivelatori, ciascuno con circa 16 milioni di pixel, che lavorano insieme per creare immagini enormi del cielo. I rivelatori raccolgono i fotoni della luce, che verranno poi decodificati per creare nitidi panorami cosmici.
Il Wide Field Instrument offrirà a Roman la stessa risoluzione angolare di Hubble, ma con un campo di vista almeno 100 volte più grande. Ogni immagine catturerà una porzione di cielo più grande delle dimensioni apparenti di una luna piena.
Grazie alla solida struttura dell’osservatorio e alle sue stabili prestazioni ottiche, Roman potrà scansionare rapidamente il cielo senza bisogno di lunghi intervalli tra le diverse osservazioni. Il telescopio è progettato per esplorare l’universo mille volte più velocemente di Hubble.
La missione raccoglierà dati a una velocità fino a 1.000 volte superiore a quella di Hubble, arrivando complessivamente a circa 20.000 terabyte, cioè 20 petabyte, nel corso dei cinque anni della missione primaria.
Roman invierà a Terra circa 1,4 terabyte di dati al giorno, la velocità di trasmissione dati più elevata raggiunta fino a quel momento da una missione astrofisica della NASA. I dati saranno trasmessi verso stazioni di terra situate nel Nuovo Messico, in Australia e in Giappone, distribuite in diverse parti del mondo per consentire al team di mantenere costantemente le comunicazioni con la navicella spaziale.
La particolare architettura di Roman
Molti telescopi sono progettati per concentrare la luce in arrivo verso un punto centrale, per cui la loro visuale è più nitida al centro. Grazie al suo particolare progetto ottico, Roman vedrà invece i dettagli più fini in un anello attorno al centro.
I rivelatori trasformano la luce infrarossa ricevuta in segnali elettrici, che vengono poi elaborati per ricostruire immagini e dati spettroscopici del cielo. Questo progetto permette a Roman di acquisire immagini altrettanto nitide su un’area molto più ampia e consente inoltre ai due strumenti della missione di funzionare contemporaneamente.
Roman è equipaggiato con due strumenti: il Wide Field Instrument (WFI), il principale strumento scientifico della missione, e il Coronagraph Instrument, una dimostrazione tecnologica progettata per testare nuove tecniche di imaging diretto degli esopianeti.
Cinque anni per osservare l’universo
Roman avrà una durata prevista della missione primaria di cinque anni ed è progettato per poter supportare un’ulteriore missione estesa di altri cinque anni.
Si prevede che il carburante sarà la risorsa che limiterà maggiormente la durata della missione. Sebbene la NASA non disponga attualmente della capacità di effettuare interventi di manutenzione sugli osservatori situati in L2, Roman è stato progettato comunque per poter essere rifornito di carburante.
La materia oscura: l’universo delle ombre
L’universo è pieno di ombre, le cui sagome suggeriscono la presenza di una forma particolare di materia che abbiamo accennato nell'introduzione. Essa si comporta in qualche modo come una corrente oceanica, guidando tutto ciò che si trova al suo interno, dunque tutto ciò che all'interno dello spazio.
Da oltre 80 anni gli scienziati sono impegnati in una sorta di caccia cosmica ai fantasmi per trovarla e studiarla, e sono partiti da due scoperte enigmatiche.
Per prima cosa, l’astronomo svizzero-americano Fritz Zwicky osservò che le galassie dell’ammasso della Chioma si muovevano così velocemente che avrebbero dovuto schizzare rapidamente nello spazio; eppure rimanevano gravitazionalmente legate all’ammasso grazie alla presenza di materia invisibile.
Poi, negli anni Settanta, l’astronoma americana Vera Rubin scoprì lo stesso tipo di problema nelle singole galassie a spirale. Le stelle situate verso il margine della galassia si muovono troppo rapidamente per essere trattenute dalla materia luminosa della galassia, il che presuppone che vi sia una materia invisibile ad esercitare una forza che potremmo definire di “ancoraggio”.
È come se qualcuno avesse tagliato tutte le corde di una giostra con altalene, eppure le altalene continuassero a girare normalmente.
Queste osservazioni suggeriscono che nelle galassie e negli ammassi di galassie debba esserci molta più materia di quella che possiamo vedere, sufficiente a mantenere stelle e galassie nelle loro orbite: molta, ma molta di più.
La materia ordinaria, quella composta da stelle, pianeti, gas, polvere e da tutto ciò che possiamo osservare direttamente, rappresenta soltanto circa il 5% del contenuto complessivo dell’universo. La materia oscura costituisce invece circa il 27%, cioè approssimativamente l’85% di tutta la materia presente nel cosmo. Il restante 68% circa è attribuito all’energia oscura.
Questa misteriosa materia sta mettendo in luce delle crepe nella nostra comprensione del cosmo. Il nostro modello cosmologico standard, un quadro matematico che descrive come l’universo evolve nel tempo, non riesce a colmare completamente il divario tra il modo in cui l’universo era quando era molto giovane e il modo in cui è oggi.
Piccole fluttuazioni nella radiazione cosmica di fondo a microonde, il bagliore residuo della nascita estremamente calda dell’universo, registrano come la materia era distribuita nell’universo primordiale. Il modello di queste fluttuazioni può essere spiegato soltanto se la maggior parte della materia dell’universo è costituita da materia oscura invisibile.
La quantità di materia oscura dedotta dallo studio dell’universo primordiale concorda bene con numerose osservazioni odierne. Tuttavia sono emerse alcune discrepanze, come le differenze tra il tasso di espansione misurato dell’universo e il modo in cui la materia si aggrega su grandi scale, che potrebbero indicare la presenza di nuova fisica.
Sebbene gli scienziati abbiano da tempo osservato prove della sua esistenza, la vera natura della materia oscura rimane uno degli enigmi irrisolti della fisica moderna; Roman contribuirà in questa ricerca fornendo la più completa mappa tridimensionale mai realizzata della distribuzione di galassie e ammassi di galassie nell’universo. La missione condurrà gli studi sulla materia oscura più dettagliati mai intrapresi, grazie agli effetti gravitazionali prodotti da questa materia.
L’energia oscura: la forza che accelera l’universo
Ricordate che all'inizio abbiamo parlato non solo di materia oscura, ma anche di energia oscura? Bene, è arrivato il momento di spiegare che cos'è. Immaginate di aver piantato un fiore e che, invece di rallentare la sua crescita una volta raggiunta l’altezza adulta, improvvisamente schizzasse verso l’alto come il fagiolo magico della celebre fiaba.
Oppure immaginate di lanciare una palla da baseball in aria e che, invece di ricadere, accelerasse verso l’alto sempre più velocemente, come se fosse dotata di un jetpack invisibile.
È qualcosa di simile a ciò che gli astronomi hanno scoperto riguardo all’espansione dell’universo.
Dopo le prime fasi di rapida espansione dell’universo, gli scienziati pensavano che la gravità avrebbe progressivamente rallentato l’espansione cosmica. Invece, circa nove miliardi di anni dopo l’inizio dell’universo, l’espansione ha cominciato ad accelerare.
Tutte le stelle della nostra galassia, le particelle del nostro pianeta e perfino gli atomi che compongono i nostri corpi si disperderebbero immediatamente se non fossero tenuti insieme da forze. Sebbene sia debole su piccola scala, l’energia oscura domina nelle immense distese del cosmo.
Essa costituisce circa il 68% del contenuto complessivo dell’universo, ma finora non sappiamo molto di più.
Per certi versi, il mistero è diventato ancora più complesso man mano che abbiamo imparato a conoscerlo meglio, come quando getti una luce in un campo buio, solo allora ti rendi conto di quanto sia grande. Alcune osservazioni recenti, in particolare quelle del progetto DESI, hanno rafforzato gli indizi secondo cui l’energia oscura potrebbe cambiare nel tempo. Si tratta però ancora di un’ipotesi che necessita di ulteriori verifiche: proprio uno degli obiettivi di Roman sarà stabilire se questa apparente evoluzione sia reale.
Le supernovae e lo spazio che si espande
Roman studierà questo mistero anche individuando migliaia di stelle esplose, chiamate supernovae, distribuite su immense distanze di spazio e tempo.
Una particolare categoria, le supernovae di tipo Ia, raggiunge un picco di luminosità intrinseca pressoché identico. Ciò significa che gli scienziati possono determinarne la distanza attraverso una semplice formula.
Gli astronomi confronteranno quindi la distanza della galassia con la sua velocità di allontanamento. Questa informazione proviene da dettagliati modelli di lunghezza d’onda chiamati spettri.
Se un oggetto si allontana da noi, la sua luce si sposta verso l’estremità rossa dello spettro, diventando soggetta al cosiddetto redshift, o spostamento verso il rosso. In generale, un redshift maggiore indica che la luce proviene da un’epoca più remota e che l’espansione cosmica ha prodotto uno spostamento verso il rosso più pronunciato.
Gli astronomi utilizzeranno questo fenomeno per creare una mappa tridimensionale di tutte le galassie misurate nell’area di indagine, fino a una distanza di circa 11,5 miliardi di anni luce.
Confrontare le distanze delle galassie con le loro velocità di allontanamento durante epoche cosmiche differenti offre indizi su come l’energia oscura possa essere cambiata nel tempo.
vuoi saperne di più? consulta gli approfondimenti della NASA sulla missione Roman e sull’energia oscura a questo link: https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/
Fonti: https://www.nasa.gov/
© Punto e Virgola
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