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Esaminando l’universo oltre la nostra galassia, Euclid tenterà di svelare i segreti della rete cosmica e forse spiegherà come la materia oscura invisibile e l’energia oscura esotica influenzino la struttura e l’evoluzione dell’universo. Euclid si concentrerà principalmente su due temi centrali del programma di visione cosmica dell’Agenzia spaziale europea: quali sono le leggi fisiche fondamentali dell’universo? Come è nato l’universo e di cosa è fatto?

1. Qual è la struttura e la storia della rete cosmica?

La materia nell’universo è disposta in un’enorme rete ordinata che ricorda una “ragnatela cosmica”. Questa “rete” è costituita da enormi ammassi di galassie collegati da filamenti invisibili di gas e materia oscura. Nel mezzo ci sono gigantesche regioni vuote chiamate vuoti cosmici. Esplorare la rete cosmica è impegnativo a causa delle sue dimensioni, con vuoti cosmici che coprono centinaia di milioni di anni luce. Euclid esaminerà più di un terzo del cielo per raccogliere informazioni sulla forma, le dimensioni e la posizione di miliardi di galassie.

Guardando nelle profondità del cielo, Euclide guarderà anche indietro nel tempo e visualizzerà dieci miliardi di anni di storia cosmica. Questo perché più una stella è lontana da noi, più tempo impiega la sua luce a raggiungerci. Mappando accuratamente la forma e la distribuzione di un gran numero di galassie, Euclid rivelerà la struttura e la storia della rete cosmica. Sebbene la materia oscura non ci sia visibile, la sua presenza distorce la luce delle galassie lontane. Questo effetto è chiamato lente gravitazionale e può essere osservato da Euclide, rivelando come la materia oscura sia distribuita in tutto l’universo.

2. Qual è la natura della materia oscura?

Nonostante decenni di ricerca, non sappiamo ancora di cosa sia fatta la massa mancante, la cosiddetta materia oscura, nell’universo. Il confronto di diversi modelli e misurazioni cosmologiche finora ha portato all’ipotesi che la maggior parte della materia oscura sia composta da particelle “fredde”, nel senso che sono pesanti e si muovono relativamente lentamente. Tuttavia, è del tutto possibile che parte della materia oscura sia composta da particelle di luce che si muovono a una velocità vicina a quella della luce, la cosiddetta materia oscura “calda”. La domanda su quanta materia oscura, se esiste, rimane calda. La materia oscura calda potrebbe essere costituita da “particelle fantasma” chiamate neutrini, che interagiscono molto debolmente con altra materia. Sebbene inizialmente ci si aspettasse che i neutrini fossero privi di massa, ora ci sono prove che hanno una massa molto piccola.

Possiamo usare le precise misurazioni della struttura cosmica di Euclide per scoprire la massa totale di neutrini nel nostro universo e la percentuale di materia oscura che potrebbe esserne composta. Nonostante il loro campo gravitazionale, i neutrini tendono a rallentare la formazione delle strutture ea distorcerle a causa del loro rapido movimento. La scoperta più eccitante sarà qualcosa che meno ci aspettiamo. Le osservazioni senza precedenti di Euclid dell’universo al di fuori della galassia potrebbero rivelare l’esistenza di nuovi tipi di particelle in rapido movimento. Il detective dell’universo oscuro indaga!

3. Come è cambiata nel tempo l’espansione dell’universo?

Negli anni ’90, i cosmologi hanno fatto la sorprendente scoperta che l’universo si sta espandendo a un ritmo molto più veloce di prima. L’universo si è espanso sin dal suo inizio nel Big Bang, ma fino a poco tempo fa gli scienziati presumevano che la velocità con cui l’universo si sta espandendo avrebbe rallentato nel tempo perché la forza gravitazionale di tutta la materia nell’universo ostacola questa espansione. Comprendere l’accelerazione dell’espansione rimane una delle maggiori sfide della cosmologia e della fisica fondamentale. La prova di un tasso di espansione variabile si basa sulle differenze osservate nella luminosità e nel colore delle cosiddette “candele standard”: oggetti astronomici di luminosità costante e nota. Gli oggetti distanti ci appariranno più fiochi, mentre lo stiramento dello spazio-tempo allunga la lunghezza d’onda della luce nel suo cammino verso di noi, un effetto di arrossamento chiamato spostamento verso il rosso. Euclide misurerà anche il redshift delle galassie, che ci aiuterà a determinare la distanza tra loro e noi.

Scansionando più di un terzo del cielo con un telescopio abbastanza sensibile da vedere la luce che ha impiegato 10 miliardi di anni per raggiungerci, Euclide può dirci come l’universo si è espanso nel tempo. Grazie al suo ampio angolo di campo, Euclid può anche controllare se l’espansione è uguale in tutte le direzioni. In caso contrario, sarebbe contrario al cosiddetto principio cosmologico, il quale afferma che l’universo su scala sufficientemente ampia appare simmetrico in tutte le direzioni (isotropia) e da ogni parte (omogeneità). Questa regola empirica costituisce la base di quasi tutti i modelli e le analisi utilizzate in cosmologia.

4. Qual è la natura dell’energia oscura?

Sapere in dettaglio come (e cosa) l’universo si sta espandendo è una cosa, ma vogliamo anche conoscere la forza motrice che c’è dietro. I cosmologi hanno chiamato questa componente sconosciuta dell’universo “energia oscura”. Nessuno sa di cosa sia fatto o se sia una forma di energia! La migliore ipotesi di lavoro è quella proposta da Albert Einstein nel lontano 1917. Nei suoi calcoli includeva una “costante cosmologica”, che è un campo di energia costante che esiste in tutto l’universo. Questa è una proprietà intrinseca del vuoto dello spazio, quindi più grande è lo spazio, maggiore è l'”energia del vuoto” (energia oscura) e maggiori sono i suoi effetti.

Ci sono altre alternative. Ad esempio, l’accelerazione potrebbe essere causata dalla quinta forza fondamentale della natura che si evolve insieme all’espansione dell’universo. A differenza della costante cosmologica, questa “essenza” è dinamica, dipendente dal tempo e non uniformemente distribuita in tutto l’universo. Qualsiasi spiegazione di cosa sia effettivamente l’energia oscura altera sottilmente il modo in cui l’accelerazione cambia nel tempo cosmico, ma finora nessun esperimento è stato in grado di misurare l’accelerazione in modo sufficientemente dettagliato per distinguere tra possibili soluzioni. Le misurazioni accurate e precise di Euclid cambieranno questa situazione e, si spera, riveleranno la vera natura dell’energia oscura.

5. Comprendiamo davvero appieno la gravità?

La presenza della materia oscura e l’accelerazione dell’espansione dell’universo indicano che ci stiamo perdendo qualcosa di importante. Queste due sorprendenti scoperte hanno una cosa in comune: riguardano la gravità. La gravità tiene insieme pianeti, stelle, sistemi solari e persino galassie. Lo sperimentiamo ogni giorno: ci tiene con i piedi per terra e fa precipitare le cose piuttosto che in un’altra direzione. La migliore teoria che abbiamo per descrivere la gravità è la teoria generale della relatività di Albert Einstein. In esso, sostiene che la gravità non è un’attrazione letterale, ma piuttosto una conseguenza di oggetti massicci che piegano lo spazio-tempo. Un oggetto con massa distorce lo spazio-tempo, come una palla pesante che spinge giù un tappeto elastico. Piegando il tappeto elastico, le palline più leggere sul tappeto elastico rotoleranno automaticamente verso il centro.

La relatività generale ha altre implicazioni, inclusa l’esistenza di buchi neri e onde gravitazionali. il trascorrere del tempo più veloce o più lento per diversi osservatori, a seconda sia della loro velocità e accelerazione relativa sia della forza gravitazionale a cui sono sottoposti; Anche i percorsi di luce sono influenzati dalla gravità. Le previsioni della relatività generale si sono dimostrate corrette più e più volte. Ma questa teoria non è mai stata verificata con grande precisione sulle vaste distanze e tempi che Euclide avrebbe percorso. Quindi Euclide mostrerà se questo test sulla scala più grande possibile fallirà la teoria generale della relatività. In tal caso, i fisici dovranno tornare al tavolo da disegno.

fonte: ESA