Il Nancy Gracy Roman Space Telescope della NASA non verrà lanciato fino al 2027 e non inizierà a funzionare fino a qualche tempo dopo. Ma questo non impedisce agli scienziati di avanzare proposte di ricerca. Un nuovo studio esamina in dettaglio la potenza del telescopio spaziale Roman per vedere se può aiutarci a capire se l'Universo continuerà ad espandersi e a lacerarsi.
Lo studio "The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope", pubblicato su The Astrophysical Journal, il cui autore principale è Yun Wang ricercatore senior presso il Caltech/IPAC di Pasadena in California, si concentra sulla spettroscopia e su come mapperà l'espansione storica dell'Universo grazie agli strumenti del Roman Telescope.
Il Roman condurrà un High Latitude Wide Area Survey (HLWAS). L'High Latitude Spectroscopic Survey (HLSS) è la parte spettroscopica dell'HLWAS delineata in questo studio. L'HLWAS è uno degli obiettivi scientifici del telescopio, insieme a nuovi approcci alla scienza degli esopianeti. HLSS è un'indagine di precisione ad alto volume di milioni di galassie risalenti a miliardi di anni fa. L'obiettivo principale dell'indagine è quello di studiare l'espansione nel corso della storia dell'Universo. L'HLSS è così profondo e ampio che consentirà indaggini impossibili con gli altri telescopi esistenti.
"Mentre questa indagine è progettata per esplorare l'accelerazione cosmica, offrirà anche indizi su molti altri misteri allettanti", ha dichiarato Wang. "Ci aiuterà a capire la prima generazione di galassie, ci permetterà di mappare la materia oscura e persino di rivelare informazioni su strutture che sono molto più vicine a casa, proprio nel nostro gruppo locale di galassie".
L'HLSS di Roman si riferisce all'espansione universale, all'energia oscura e alla teoria della relatività generale (TGR) di Einstein.
Nel 1915, quando Einstein propose per la prima volta il suo TGR, nessuno pensava che l'Universo si stesse espandendo. TGR è riuscito a spiegare cose che la gravità newtoniana non poteva fare. Ma aveva un difetto. Einstein stesso si rese conto che la sua teoria prevedeva che un Universo statico fosse instabile, e che dovesse espandersi o contrarsi per essere stabile. Ma lo rifiutò, e inciampò introducendo l'ormai famigerata "costante cosmologica" per compensare. Lo usò per contrastare l'effetto della gravità e raggiungere un Universo statico. Einstein in seguito definì questo il suo più grande errore.
Poi, nel 1920, gli astronomi scoprirono che l'Universo si sta espandendo. L'astronomo americano Edwin Hubble giocò un ruolo di primo piano nella scoperta, e la regola che descrive l'espansione è chiamata Legge di Hubble. Lo scienziato e sacerdote belga Georges Lemaître lavorò in precedenza sull'espansione, ma pubblicò il suo lavoro in un'oscura rivista. Ora la legge di Hubble è sempre più indicata come la legge di Hubble-Lemaître..
L'espansione dell'Universo era ed è un mistero. Gli scienziati hanno un nome per la forza che deve guidare l'espansione: Energia Oscura.
Per molto tempo, i cosmologi hanno pensato che l'espansione stesse rallentando. Ma si è scoperto che non è vero.
Nel 1998 gli scienziati hanno scoperto che il tasso di espansione dell'Universo sta accelerando. Non dovrebbe succedere perché la gravità di tutta la materia dovrebbe rallentare l'espansione. Con quella scoperta, la costante cosmologica è tornata in gioco. Ora è la spiegazione più semplice per l'espansione accelerata.
Questo ci porta al Roman Telescope e alla sua Indagine Spettroscopica ad Alta Latitudine. L'HLSS potrebbe essere in grado di parlarci del futuro dell'espansione dell'Universo e se l'Universo continuerà ad espandersi sempre più velocemente e finirà in un Big Rip.
Nel loro articolo, gli autori chiariscono l'obiettivo generale del sondaggio. Ci sono due domande di principali:
L'accelerazione cosmica è causata da una nuova componente energetica o dalla rottura della relatività generale (GR) su scale cosmologiche?
Se la causa è una nuova componente energetica, la sua densità di energia è costante nello spazio e nel tempo, o si è evoluta nel corso della storia dell'universo?
Queste domande sono alla base della spinta per la costruzione di telescopi sempre più grandi e precisi come il Roman Space Telescope.
Nel documento, gli autori presentano un progetto di riferimento per l'HLSS. L'HLSS del Roman coprirà quasi 2.000 gradi quadrati o circa il 5% del cielo in circa sette mesi. Questo è un notevole miglioramento rispetto ad altri telescopi come Hubble. "In questo momento, con telescopi come Hubble, possiamo campionare decine di galassie ad alto redshift. Con Roman, saremo in grado di campionare migliaia di campioni", ha spiegato Russell Ryan, astronomo della STScI.
Il nuovo studio mostra che l'HLSS di Roman dovrebbe misurare con precisione 10 milioni di galassie da quando l'Universo aveva tra i tre e i sei miliardi di anni. Gli astronomi useranno questi dati per mappare la struttura su larga scala dell'Universo.
I cosmologi hanno già mappato la struttura su larga scala, ma l'HLSS del Roman Telescope farà un ulteriore passo avanti nella mappatura. L'HLSS ci dirà le distanze di circa due milioni di galassie da quando l'Universo aveva solo due o tre miliardi di anni.
"Roman determinerà la storia dell'espansione dell'universo al fine di testare possibili spiegazioni della sua apparente espansione accelerata, compresa l'energia oscura e la modifica alla gravità di Einstein", scrivono gli autori nel loro articolo.
L'Universo si sta espandendo e l'espansione sta accelerando. Questo non dovrebbe succedere perché la gravità di tutta la materia nell'Universo dovrebbe essere un freno a quell'espansione. L'accelerazione significa che la teoria della gravità di Einstein non è esattamente corretta. Oppure significa che dobbiamo aggiungere una nuova componente energetica all'Universo: l'Energia Oscura.
Come spiegato nel suo TGR, la gravità di Einstein è accurata, fino a un certo punto. Così è stato per Newton fino a quando non abbiamo potuto osservare porzioni più grandi dell'Universo. La gravità di Newton descrive accuratamente ciò che accade con la gravità su scale locali, e la gravità di Einstein spiega accuratamente ciò che accade su una scala ancora più grande. Ma ora stiamo affrontando l'intero Universo, e la nostra comprensione è inadeguata.
Questo studio simula ciò che il Roman Telescope può fare. Le vaste e profonde immagini 3D dell'Universo del Roman Telescope sono una nuova opportunità per discernere tra le principali teorie che tentano di spiegare l'accelerazione cosmica: una teoria modificata della gravità o Energia Oscura.
"Nell'illuminare la natura sconosciuta dell'accelerazione cosmica, dobbiamo misurare due funzioni libere del tempo: la storia dell'espansione cosmica e il tasso di crescita della struttura su larga scala", scrivono gli autori. Questi possono dirci se l'energia oscura varia nel tempo e se è una componente di energia sconosciuta (ad esempio, una costante cosmologica) o la conseguenza della modifica della relatività generale come teoria della gravità.
"Possiamo aspettarci una nuova fisica in entrambi i casi, sia che impariamo che l'accelerazione cosmica è causata dall'energia oscura o che scopriamo che dobbiamo modificare la teoria della gravità di Einstein", ha dichiarato Wang. "Roman testerà entrambe le teorie allo stesso tempo."