Roman si lancia sabato: un miliardo di galassie per decifrare l’energia oscura

Il telescopio spaziale Roman parte sabato nel bel mezzo del più grande problema aperto della cosmologia: due modi indipendenti di misurare la velocità di espansione dell’universo divergono dell’8 per cento. Misura la radiazione cosmica di fondo – la luce emessa 380 000 anni dopo il Big Bang – e il tasso di espansione si attesta intorno a 67 chilometri al secondo per megaparsec. Misura le stelle Cefeidi e le supernove di tipo Ia nelle vicinanze e ottieni circa 73. Il divario è ampio da 4 a 6 deviazioni standard. In fisica non è un errore di arrotondamento: è un segnale che qualcosa nel modello standard non funziona.

Il Nancy Grace Roman Space Telescope, in decollo alle 7:26 ora della costa orientale da Cape Canaveral a bordo di un razzo Falcon Heavy di SpaceX, è lo strumento più potente mai progettato per scoprire cosa. Con uno specchio di 2,4 metri – lo stesso diametro di quello di Hubble – e una fotocamera a infrarossi vicini da 300 megapixel che vede una porzione di cielo 200 volte più ampia del campo visivo di Hubble, Roman può costruire le mappe su larga scala della distribuzione delle galassie che l’attuale tensione richiede.

L’evidenza che ha incrinato il modello standard

L’energia oscura è stata identificata nel 1998, quando due gruppi indipendenti che misuravano le distanze e le velocità di recessione delle supernove di tipo Ia scoprirono che le galassie lontane si allontanavano più rapidamente di quanto consentisse un’espansione rallentata dalla gravità. L’osservazione valse il Premio Nobel 2011 e inserì un termine – la costante cosmologica Λ – nel modello standard della cosmologia. Λ sostiene che l’energia oscura sia costante nella densità e nel carattere, una proprietà fissa dello spazio stesso.

Letture consigliateDESI non cercava falle nel modello standard. Le sue mappe le hanno trovate.

Due scoperte recenti hanno complicato questo quadro. Lo strumento DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) ha pubblicato risultati che mostrano come le oscillazioni acustiche dei barioni – schemi di densità periodici congelati nella rete cosmica a partire da 380 000 anni dopo il Big Bang – si adattino meglio ai dati se l’intensità dell’energia oscura è cambiata nel tempo. La scoperta non prova una variazione: è un indizio, e il caso statistico non è ancora conclusivo. Ma è la sfida empirica più significativa a Λ dal Nobel.

La tensione di Hubble aggiunge un secondo punto di pressione. Se il modello standard è corretto, sia le misure dell’universo primordiale sia quelle locali dovrebbero convergere sullo stesso tasso di espansione. Così non è. L’analisi più recente, che utilizza le Cefeidi calibrate con JWST, conferma il valore locale vicino a 73 km/s/Mpc. Il valore derivato dalla radiazione cosmica di fondo resta intorno a 67. La discrepanza non si è ridotta con più dati: è cresciuta.

Cosa misurerà Roman e come

Roman affronterà il problema dell’energia oscura attraverso tre canali indipendenti.

Il primo sono le supernove di tipo Ia, che agiscono come indicatori di distanza standardizzabili: ciascuna raggiunge una luminosità di picco prevedibile che rivela quanto è lontana. Confrontare la distanza con il redshift – quanto la luce di una galassia è stata stirata dall’espansione dell’universo – fornisce il tasso di espansione a quell’epoca cosmica. Si prevede che Roman scopra migliaia di supernove all’anno su un intervallo di redshift molto più ampio rispetto ai rilievi da terra, tracciando la storia dell’accelerazione dell’universo con una precisione che gli strumenti attuali non possono avvicinare.

Il secondo canale sono le oscillazioni acustiche dei barioni. Quelle onde sonore dell’universo primordiale hanno lasciato una scala caratteristica impressa nel modo in cui le galassie si raggruppano – una preferenza statistica per coppie di galassie separate da circa 490 milioni di anni luce. Quella scala funge da ‘righello standard’: misurando quanto appare grande a diversi redshift si può ricostruire la storia dell’espansione dell’universo a ogni epoca cosmica. L’imaging a grande campo di Roman mapperà milioni di galassie, fornendo una potenza statistica che i rilevamenti attuali non possono eguagliare.

Il terzo è il debole lensing gravitazionale: la leggera distorsione della forma delle galassie di fondo causata dalla massa delle strutture in primo piano. Il lensing traccia come la materia si è addensata nel tempo, aspetto sensibile sia alla densità della materia oscura sia al comportamento dell’energia oscura. Combinato con i dati delle supernove e delle oscillazioni acustiche dei barioni, il lensing fornisce una verifica incrociata in grado di isolare se una discrepanza nella storia dell’espansione sia reale o strumentale.

Rispetto a ciò che è venuto prima

La fotocamera a infrarossi di Hubble copre circa 10 minuti d’arco quadrati per esposizione. Roman copre circa 0,28 gradi quadrati – grossomodo 100 volte l’area a risoluzione e profondità comparabili. Il suo strumento a grande campo vedrà porzioni di cielo che per Hubble richiederebbero anni di rilevamento in poche settimane. JWST offre una profondità straordinaria ma un campo visivo simile a quello di Hubble; JWST è il microscopio, Roman è il grandangolo. Il telescopio Euclid dell’ESA, lanciato nel 2023 e già operativo, copre un campo più ampio di Roman ma a risoluzione e profondità inferiori; ci si aspetta che le due missioni si completino a vicenda.

La differenza di scala è l’argomento centrale della missione. Misurare le proprietà dell’energia oscura con la precisione necessaria per distinguere una vera costante cosmologica da una in evoluzione richiede campioni statistici di milioni di oggetti. La tensione di Hubble non può essere risolta con piccoli sondaggi – richiede un censimento.

Cosa Roman non risolverà

Le misurazioni di Roman affineranno considerevolmente i vincoli sull’energia oscura, ma non risolveranno ogni domanda oggi collegata. Lo strumento non può rilevare direttamente l’energia oscura – misura i suoi effetti su grandezze osservabili, e quelle misurazioni comportano incertezze sistematiche proprie. La calibrazione delle supernove di tipo Ia, ad esempio, dipende dalle misure di distanza delle Cefeidi, che a loro volta dipendono da come le proprietà pulsazionali di quelle stelle sono influenzate dal loro ambiente chimico. È proprio in quella catena di calibrazione che oggi risiede la tensione di Hubble.

Se i dati di Roman restringeranno il divario di H0 – avvicinando le misurazioni dell’universo primordiale e quelle locali – suggeriranno che la tensione derivava da errori sistematici non contabilizzati nelle misurazioni precedenti. Se il divario persiste o si allarga dopo la calibrazione migliorata di Roman, sarebbe una prova forte che il modello standard è genuinamente incompleto. Quell’esito sarebbe il più conseguente, ma di per sé non darebbe un nome a ciò che non va – confermerebbe solo che qualcosa non va.

Jason Rhodes, cosmologo al Jet Propulsion Laboratory della NASA coinvolto nella missione, ha descritto il panorama attuale con chiarezza: ‘Stiamo iniziando a vedere tensioni tra le misurazioni dell’universo primordiale e quelle dell’universo recente.’ Roman è stato progettato appositamente per far sì che queste tensioni scompaiano o si consolidino in un’anomalia confermata.

La messa in servizio richiede circa 90-100 giorni dopo il lancio; le operazioni scientifiche dovrebbero iniziare all’inizio del 2027. Il telescopio opererà al punto di Lagrange L2, a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, dove già orbita JWST. La missione primaria dura cinque anni.

Domande frequenti sul telescopio Roman e l’energia oscura

Cos’è esattamente l’energia oscura?
L’energia oscura è il nome dato alla causa sconosciuta dell’espansione accelerata dell’universo. Secondo le stime attuali costituisce circa il 68 per cento del contenuto energetico totale dell’universo, ma la sua natura fisica rimane ignota. Il modello più semplice la tratta come una densità di energia costante inerente allo spazio vuoto. Modelli più complessi le permettono di cambiare nel tempo o di differire nel carattere dalla costante cosmologica. Roman è progettato per distinguere tra queste possibilità.

Cos’è la tensione di Hubble?
La costante di Hubble (H0) misura la velocità con cui l’universo si sta espandendo attualmente. Due ampie categorie di misura – una che usa la radiazione cosmica di fondo come punto di partenza, l’altra che usa candele standard vicine come le stelle Cefeidi e le supernove – danno costantemente valori diversi, rispettivamente vicini a 67 e 73 km/s/Mpc. La discrepanza è statisticamente abbastanza significativa da non poter essere plausibilmente spiegata dal caso, ma la sua causa è irrisolta.

In cosa Roman differisce dal James Webb Space Telescope?
JWST è ottimizzato per osservazioni profonde e a campo stretto di singoli oggetti con sensibilità straordinaria. Roman ha la stessa dimensione di specchio di Hubble ma un campo visivo da 100 a 200 volte più ampio; sacrifica la profondità per l’ampiezza. I due telescopi sono progettati per lavorare insieme: Roman trova e analizza su larga scala, JWST segue su bersagli specifici in dettaglio.

Perché l’energia oscura è importante oltre la cosmologia?
L’energia oscura determina il destino a lungo termine dell’universo. Se è veramente costante, l’universo continuerà ad accelerare indefinitamente, separando infine le galassie al di là della portata della luce reciproca. Se l’energia oscura cambia nel tempo – o si inverte – la traiettoria cambia. Le misurazioni di Roman limiteranno quale di questi scenari è fisicamente plausibile.

Se la tensione di Hubble sopravvive allo scrutinio di Roman, la cosmologia avrà bisogno di un nuovo modello – uno capace di spiegare perché le più antiche e le più recenti firme dell’espansione dell’universo non concordano più.

Tag: nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

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