Perché Euclid? /
QUESITI
EUCLID
IL Nome
La missione prende il nome dal matematico e filosofo greco Euclide di Alessandria, che visse intorno al 300 a.C.: “Gli Elementi”, il suo lavoro più noto, rappresenta una delle più influenti opere di tutta la storia della matematica e contiene quelli che erano all’epoca i fondamenti dell’aritmetica e della geometria.
Poiché, secondo la teoria della Relatività Generale di Einstein la geometria dell’Universo è legata al suo contenuto di materia-energia, la missione è stata chiamata in suo onore.
Euclid è una missione dell’ESA che condurrà
una campagna di osservazione volta a mostrare come il meccanismo di
accelerazione modifichi la storia dell’espansione e la distribuzione tridimensionale della materia nell’Universo.
QUESITI della SCienza
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L'energia oscura
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La Materia Oscura
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Oggetti Sistema Solare
L’ENERGIA OSCURA
L’universo è attualmente in espansione: le galassie che non sono gravitazionalmente legate fra loro si allontanano l’una dall’altra.
La gravità della materia tende però a rallentare l’espansione, mentre alla fine del XX secolo le osservazioni di una particolare classe di supernovae hanno rivelato che l’espansione non sta attualmente rallentando, ma accelerando.
Nella relatività generale questo è possibile soltanto se una costante presente nelle sue equazioni, detta costante cosmologica, non è uguale a zero ma ha un valore positivo. Infatti la costante cosmologica ha l’effetto di una forza repulsiva. Se così è, l’universo è destinato a diluirsi e ad espandersi per sempre.
La costante cosmologica è equivalente ad una forma di energia presente nello spazio vuoto, la cui densità rimane costante nel tempo e ha lo stesso valore ovunque. Questo valore rappresenta attualmente più dei due terzi della densità totale dell’universo, ed è più del doppio della densità di materia.
D’altronde la teoria quantistica dei campi prevede un’energia del vuoto che potrebbe essere la causa fisica dell’accelerazione. Il problema è che, pur non sapendo calcolare il valore esatto di questa densità, le stime teoriche sono comunque enormemente superiori al valore dedotto dalle osservazioni.
Si è ipotizzato allora che l’accelerazione possa essere dovuta in realtà ad una nuova forma di energia che evolve nel tempo e sono state fatte numerose proposte sulla sua natura.
Vi è anche la possibilità che la relatività generale non valga più su scale cosmologiche e che debba essere sostituita da una teoria modificata della gravità.
La natura dell’energia oscura rimane uno dei misteri più profondi della fisica fondamentale.
Finora le osservazioni sono compatibili con la costante cosmologica, ma osservazioni più precise come quelle della missione Euclid mirano a mettere in luce delle discrepanze e stabilire quale delle alternative che abbiamo elencato sia quella corretta.
LA MATERIA OSCURA
Numerose osservazioni indicano che nelle galassie vi è una quantità di materia, detta materia oscura, decisamente superiore a quella sotto forma di stelle e gas, mentre negli ammassi di galassie la quantità di materia oscura è addirittura un centinaio di volte superiore a quella visibile. Nell’Universo stelle e gas rappresentano soltanto il 5% della quantità totale di massa ed energia dell’Universo, mentre la materia oscura costituisce il 27% del totale (il restante 68% è dato dall’energia oscura).
Le abbondanze osservate degli elementi leggeri formatisi nei primi minuti dopo il Big Bang pongono forti limiti alla densità di materia sotto le forme a noi note, ovvero protoni, neutroni e elettroni. Per questo non possono contribuire significativamente alla materia oscura i buchi neri di origine stellare (non sono invece esclusi i buchi neri primordiali). Il neutrino è stato per un certo periodo ritenuto un possibile candidato, ma ha una massa troppo piccola e muovendosi a una velocità vicina a quella della luce, cancellerebbe le fluttuazioni su piccola scala.
Si ritiene pertanto che la materia oscura sia costituita da un nuovo tipo di particella, che non rientra nel modello standard della fisica e che si muove a velocità non relativistiche: per questo si parla di Materia Oscura Fredda (Cold Dark Matter, CDM). Tra i candidati favoriti ci sono i WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, ovvero particelle massicce debolmente interagenti), che interagiscono soltanto attraverso la forza di gravità e la forza debole (l’interazione fondamentale responsabile del decadimento radioattivo degli atomi). A questa classe appartiene l’ipotetica particella supersimmetrica più leggera. Alternativi ai WIMP sono gli assioni, ipotetiche particelle molto meno massicce.
Ricordiamo infine che nella teoria del Big Bang la materia oscura è una componente necessaria, in quanto concentrandosi in aloni durante le prime centinaia di migliaia di anni, quando la pressione di radiazione impediva alla materia ionizzata di aggregarsi, ha permesso la successiva formazione delle strutture nell’Universo.
OGGETTI SISTEMA SOLARE
La missione Euclid dell’agenzia spaziale europea è stata progettata per mappare la geometria dell’Universo oscuro. Tuttavia, grazie alle caratteristiche della survey, Euclid permetterà di effettuare studi in ambiti secondari (ma non per questo meno importanti) che sono generalmente noti come “legacy science”.
Anche se la survey eviterà di osservare l’eclittica (ovvero il percorso apparente tracciato dal Sole sulla volta celeste), la sequenza programmata di immagini acquisite in differenti bande si adatta bene alla ricerca e caratterizzazione degli oggetti del sistema solare (anche noti come Solar System Objects, SSO).
Questi oggetti, osservabili attraverso la luce del Sole da essi riflessa, appaiono muoversi su uno sfondo di sorgenti immobili o, se la loro velocità è particolarmente alta, inducono delle strisciature rilevabili nelle immagini di Euclid.
Allo scopo di massimizzare il numero di oggetti osservati, si sono sviluppati degli strumenti dedicati (alcuni basati sull’uso di AI) per la ricerca di SSO.
Ci si aspetta di osservare e caratterizzare oltre 150000 nuovi oggetti (da SSO near-Earth a sorgenti nella fascia di Kuiper) e studiare le loro caratteristiche dinamiche, fisiche e composizionali e produrre degli alert per altri osservatori quali il Vera Rubin.
IL MODELLO COSMOLOGICO STANDARD
Il modello cosmologico standard descrive l’evoluzione dell’Universo a partire da uno stato primordiale ad altissima densità e temperatura, nel quale si trovava 13,8 miliardi di anni fa.
È basato sulla soluzione delle equazioni di campo della relatività generale, facendo l’ipotesi che materia ed energia siano distribuite uniformemente nello spazio, e dipende dal contenuto di materia ed energia dell’Universo, in particolare dalle densità della materia, dell’energia del vuoto, della radiazione, dei neutrini.
Da tempo le osservazioni indicano la presenza di una grande quantità di materia oscura nelle galassie e negli ammassi di galassie. Al tempo stesso, nel quadro della teoria del Big Bang, la materia oscura è necessaria per spiegare la formazione delle strutture a partire da piccole fluttuazioni di densità iniziali, ma non può essere sotto forme a noi note e non può interagire con la radiazione elettromagnetica: si ipotizza che si tratti di un nuovo tipo di particella, che si muove a velocità non relativistiche. Questo nuovo tipo di materia è stato chiamato Materia Oscura Fredda (Cold Dark Matter o CDM).
Le osservazioni di un particolare tipo di supernovae (le Ia), delle quali si conosce la luminosità al massimo e si può stimare la distanza, mostrano che l’espansione sta accelerando: un effetto che nella relatività generale è dovuto alla presenza di una costante cosmologica (indicata con la lettera greca maiuscola lambda Λ) maggiore di zero.
Infine l’analisi delle osservazioni della radiazione cosmica di fondo ha mostrato che la densità dell’Universo ha un valore corrispondente a quella che viene chiamata densità critica, il che implica che lo spazio a grandi scale non è curvo e che l’Universo è infinito. Dato che vi è sempre un errore sulle misure, la densità potrebbe essere leggermente superiore alla densità critica: in tal caso lo spazio avrebbe un’impercettibile curvatura e l’Universo sarebbe finito.
Alla fine del XX secolo, grazie a diverse osservazioni indipendenti (supernovae Ia, radiazione cosmica di fondo, massa degli ammassi di galassie e loro abbondanza, proprietà statistiche della struttura a grande scala) che hanno dato risultati coerenti fra di loro, si è riusciti a determinare con buona precisione le densità attuali delle principali componenti che definiscono questo modello.
Sappiamo così che la materia luminosa sotto forma di stelle e gas, fatta delle particelle a noi note, come protoni e neutroni, rappresenta soltanto il 5% della quantità totale di massa ed energia dell’Universo, mentre la materia oscura costituisce il 27% del totale. La componente dominante, più dei due terzi del totale, è la densità di energia oscura, associata nel modello standard all’energia del vuoto corrispondente alla costante cosmologica.
Sulla base delle sue due componenti principali il modello cosmologico standard è chiamato modello ΛCDM. Anche se è in buon accordo con tutte le osservazioni finora effettuate, esistono alcune discrepanze che non è chiaro se siano dovute a problemi osservativi o se rappresentino sintomi di reali problemi del modello.
L’EVOLUZIONE DELLE GALASSIE
Lo scopo principale di Euclid è quello di costruire una mappa dell’Universo distante. Solo una piccola parte della materia esistente emette luce, principalmente in forma di stelle che si raccolgono in galassie. Queste sono quindi i principali traccianti di quella che chiamiamo la struttura a grande scala dell’Universo. Euclid osserverà un miliardo e mezzo di galassie su tutto il cielo, di queste misurerà in modo preciso la distanza, con metodi spettroscopici, di circa 20 milioni di esse.
Sappiamo che le galassie non si distribuiscono nel cielo a caso ma seguono uno schema dettato dall’evoluzione della materia sotto l’azione della sua stessa gravità. Questo schema conserva memoria delle fluttuazioni primordiali, intrecciata con l’informazione su come la gravità le ha fatte crescere. Una misura precisa della struttura a grande scala permette quindi di recuperare informazioni sulla materia, in maggior parte oscura, sulla storia di espansione dell’Universo, accelerata dall’energia oscura, e sul funzionamento della gravità, che potrebbe discostarsi dalla relatività generale.
Le galassie sono degli oggetti di grande interesse in sé, sono il primo gradino del passaggio dalla “semplicità” dell’Universo a grande scala alla complessità. Esse possono essere viste come dei primordiali ecosistemi, regolati dalla nascita e dalla morte delle stelle che evolvono ricevendo materia primordiale dall’esterno, spellendone tramite venti galattici alimentati dallo scoppio delle supernove, e scontrandosi fra di loro in eventi di fusione. Questa complessità è molto difficile da decifrare: l’immensa mole di dati di qualità che verrà prodotta da Euclid sarà preziosa per capire il processo di formazione delle galassie e la sua relazione con la struttura a grande scala dell’Universo.
IL PUNTO LAGRANGIANO L2
Le osservazioni di Euclid richiedono una grandissima stabilità di puntamento.
Il satellite è stato costruito per rendere minime le perturbazioni, incluse quelle indotte da variazioni di temperatura. Per ottenere una stabilità termica di qualche millesimo di grado, è necessario collocare il satellite il più lontano possibile dal Sole, mantenendolo però in un’orbita stabile che non lo faccia sfuggire.
La fisica ci dice che il Sole, la Terra e un satellite possono rimanere legati insieme nel loro moto reciproco se il satellite si trova in posizioni specifiche, i punti detti ‘lagrangiani’. Per Euclid è stato scelto il punto lagrangiano L2, a 1.5 milioni di chilometri dalla Terra: il più lontano.
Orbitando intorno a questo punto, il satellite seguirà il moto di rivoluzione del nostro pianeta, mantenendo sempre il telescopio nella parte in ombra, opposta al Sole. Sarà in buona compagnia con il James Webb Space Telescope!
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