Le prove sull'esistenza dell'accelerazione cosmica e dell'energia oscura

Questa illustrazione mostra tre possibili futuri scenari dell'Universo. Three Possible Future for the Universe - (Credit: NASA/CXC/M.Weiss).

Nel 1998 due gruppi di astronomi affermarono che la luce proveniente da lontane supernove di tipo IA, che esplosero miliardi di anni fa, è inspiegabilmente debole. La migliore spiegazione di questo è che sono più distanti di quanto inizialmente pensato, il che implica che l'espansione dell'universo non sta rallentando come previsto, ma accelerando. Negli anni che seguirono, questo risultato sorprendente venne confermato da studi più approfonditi sulle supernove di tipo IA, così come dalla prova indipendente sull'esistenza degli ammassi di galassie, della distribuzione su larga scala delle galassie e dalla radiazione cosmica di fondo. La spiegazione principale fornita per chiarire  l'accelerazione cosmica è riconducibile all'esistenza dell'energia oscura, una forma ipotetica di energia che permea tutto lo spazio ed esercita una pressione negativa, aumentando la pressione che determina una sempre più crescente espansione dell'universo. L'effetto dell'energia oscura è ridotto per oggetti come le galassie e le stelle, ma è fondamentale per la comprensione della struttura su grande scala dell'Universo. Supernova di tipo IA
Le supernove di tipo Ia sono prodotte quando una stella (in questo caso una nana bianca), esplode perché diventa instabile a causa dell'accrescimento causato dall'eccessiva materia ricevuta da una stella compagna, o, più raramente, dalla fusione con un'altra nana bianca. Poiché il valore massimo della massa di stabilità per una nana bianca è di circa 1,4 masse solari, la maggior parte delle supernove di tipo Ia producono circa la stessa quantità di luce.

Supernova 2001el (Lawrence Berkeley National Lab)

 

 

 

 

Questa proprietà le rende estremamente utili come indicatore di distanza. Negli ultimi anni supernove di tipo Ia sono state utilizzate in questo modo per determinare l'accelerazione dell'espansione dell'universo. Le supernove di tipo Ia, distanti 5 miliardi di anni luce, vengono osservate sistematicamente apparendo più oscure di quanto lo sarebbero se espansione dell'universo stesse decelerando come era stato previsto, a causa della forza di gravità. L'evidenza indica che l'espansione è stata osservata a causa dell'accelerazione degli ultimi 5 miliardi di anni. Una serie di misurazioni sulle supernove lontane effettuate negli ultimi dieci anni, hanno rafforzato la teoria dell'esistenza dell'accelerazione cosmica e implicitamente, dell'energia oscura.                                                            Emissione di Raggi-X da ammassi di galassie - Lo studio sull'emissione di raggi X dagli ammassi di galassie ha dimostrato di essere un'ottima tecnica per la raccolta di prove sull'esistenza dell'energia oscura. Un metodo, chiamato la "crescita della struttura", si basa sull'osservazione di come il numero di gruppi - i più massicci oggetti legati gravitazionalmente nell'universo - vari con il tempo. I dati di Chandra forniscono stime ad alta qualità sulla massa dei gruppi, in funzione del tempo, che possono essere confrontati con le previsioni dei modelli di espansione dell'universo, con e senza l'energia oscura. I risultati sono coerenti con le conclusioni dai dati delle supernove.

 

Tecnica di misurazione della distanza effettuata con i Raggi X.

 

 

 

Un altro approccio utilizza i dati di Chandra per determinare il rapporto del gas caldo della materia oscura presente all'interno degli ammassi. Le simulazioni dei gruppi al computer indicano che questo rapporto dovrebbe essere quasi costante nel tempo. L'unico modello per l'universo in espansione che riproduce questo risultato è uno che contiene una quantità di energia oscura coerente con le altre tecniche. Radiazioni di fondo a Microonde (radiazione fossile) e grandi strutture cosmiche - La Radiazione di fondo a Microonde (CMB) Radiazione Cosmica, il bagliore residuo del Big Bang, che si rileva nello spazio é estremamente uniforme. Tuttavia, le variazioni di temperatura molto piccole o fluttuazioni (in parte per milione di livello), sono state rilevate con la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy (WMAP) e da altri telescopi. Queste fluttuazioni sono dovute a gruppi di materia che hanno una densità leggermente superiore o inferiore rispetto alla media. La crescita di questi grumi dipende da variabili come il tasso di espansione dell'universo e dalla velocità con cui le onde sonore viaggiano, che a loro volta dipendono dalla densità della massa-energia e dalla composizione dell'universo. Le oscillazioni dovute a queste onde sonore si presentano come un modello sottile nella scala delle fluttuazioni del CMB. Le misurazioni estremamente accurate delle fluttuazioni di WMAP indicano che la quantità di energia oscura richiesta è coerente con i risultati della supernova e con gli studi sui cluster (gruppi). L' onda sonora del modello rimane impressa sulla distribuzione della materia, e si presenta nella distribuzione delle galassie formatesi centinaia di milioni di anni più tardi.

La quantità della materia oscura nell'universo rilevata prima della formazione delle galassie può essere determinata da uno studio sulle fluttuazioni (aree blu e rosso brillante) nella radiazione cosmica di fondo. (Riferimento: NASA/WMAP)

 

Lente gravitazionale debole
La curvatura gravitazionale della luce da parte delle galassie e degli ammassi di galassie distorce o taglia le immagini delle galassie lontane. Le analisi di questa distorsione possono rivelare la quantità di materia oscura e la sua distribuzione nel tempo da misurare. Questa informazione può essere combinata con i modelli teorici per l'influenza dell'energia oscura sulla crescita della struttura per dimostrare che la quantità di materia oscura e dell'energia oscura è coerente con le altre misurazioni.

La prova diretta della materia oscura rilevata dalla NASA: NASA Finds Direct Proof of Dark Matter.

              Età dell'Universo - Un confronto tra l'età dell'Universo dedotto dal tasso di espansione dell'Universo con l'età indipendente fornisce una stima importante sulla quantità di energia oscura che guida l'accelerazione dell'espansione. Le età delle stelle più vecchie conosciute forniscono l'età dell'Universo, che quindi risulta tra i 12 e i 15 miliardi anni, che è ancora una volta coerente con le stime sulla quantità di materia oscura e dell'energia oscura.

L'età dell'Universo. Riferimento: Cosmic Timeline Illustration 

*Riassunto: Bilancio dell'Energia dell'Universo - Una vasta gamma di osservazioni astronomiche ha portato ad un quadro coerente in cui dal 4 al 5% del bilancio della massa-energia dell'Universo è normale (barionica), costituita da protoni e neutroni, dal 21 a 24% è materia oscura, i valori compresi tra il 71 al 74% sono attribuibili all'energia oscura.

  

Riferimento: EVIDENCE FOR COSMIC ACCELERATION AND DARK ENERGY - CHANDRA X- Ray Observatory.