Una mappa del cosmo in 3D

Ottenuta da BOSS

di Silvia Fracchia

Ti è mai venuta voglia di fare un viaggetto nell’universo, a qualche miliardo di anni-luce da qui? Da ora in poi, se lo vorrai, potrai farlo senza nemmeno correre il rischio di perderti: è infatti da poco disponibile una mappa dettagliata del cosmo in 3 dimensioni. La più grande di sempre, in realtà: riesce infatti a coprire distanze fino a circa 10 miliardi di anni-luce dalla Terra.

La nuova mappa è frutto del lavoro degli scienziati del terzo Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) ed è stata presentata al meeting di aprile dell’American Physical Society ad Anaheim, in California. La sua realizzazione è avvenuta nell’ambito del Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) ed è descritta in un articolo già disponibile su arXiv, tra i cui autori figurano David Schlegel, del Lawrence Berkeley National Laboratory, e Anze Slosar, del Brookhaven National Laboratory.

Ottenere un simile risultato non è affatto banale. Questi scienziati, che potremmo definire “cartografi spaziali”, hanno dovuto unire conoscenze di cosmologia, astrofisica e spettroscopia: oscillazione acustica barionica (BAO), quasar e foresta Lyman-alfa sono infatti i tre concetti chiave di questo studio. Analizziamoli più in dettaglio.

Nell’universo primordiale, com’è noto, la materia esisteva nella forma di un plasma di elettroni e barioni (protoni e neutroni) in cui i fotoni, prima della ricombinazione, rimanevano intrappolati a causa dei ripetuti urti con le particelle circostanti. L’interazione di questi fotoni con la materia dava origine a una pressione diretta verso l’esterno, contrapposta all’azione dell’attrazione gravitazionale, e il risultato di questi due effetti contrastanti fu la formazione di onde di pressione, analoghe alle onde sonore, che iniziarono a propagarsi nell’universo primordiale: in questo senso si parla di oscillazione acustica barionica. Le differenze di pressione crearono a differenze di densità, apprezzabili come piccole variazioni di temperatura nel fondo cosmico a microonde. Intorno alle zone più dense si formarono le prime galassie, e oggi da esse e dalle variazioni di densità della distribuzione dell’idrogeno intergalattico è possibile risalire alle onde acustiche originarie. Proprio su quest’ultimo sono andati a focalizzarsi gli scienziati di BOSS, il cui scopo è proprio quello di eseguire una mappatura della distribuzione di densità dell’idrogeno intergalattico.

una maggiore e minore presenza di idrogeno. (Cortesia: Anze Slosar and BOSS Lyman-alpha cosmology working group)

Ed è qui che entrano in gioco i quasar, un particolare tipo di nuclei galattici attivi, oggetti molto distanti e di eccezionale luminosità: la maggior parte della radiazione da loro emessa viene assorbita dall’idrogeno intergalattico a una particolare lunghezza d’onda, corrispondente a una ben precisa riga del suo spettro di assorbimento, nota come Lyman-alfa. In realtà, più che di una singola riga, si parla piuttosto di una “foresta Lyman-alfa”: lo spettro di un quasar è infatti composto da molte righe, disposte in modo disordinato, a causa di vari effetti presenti nel passaggio della luce in una nube di idrogeno, tra cui quello del redshift. A partire dallo studio dell’assorbimento della luce di un quasar lontano è possibile risalire alla distribuzione dell’idrogeno in una certa direzione. Un’analisi di questo tipo era già stata fatta in passato, quando ancora si disponeva dei dati di pochi quasar e pertanto si erano potute ottenere informazioni in una sola dimensione. Gli studiosi di BOSS hanno invece potuto sfruttare i dati di 14 mila quasar ottenuti dallo Sloan Telescope dell’Apache Point Observatory, nel New Mexico, e ciò ha reso possibile una mappatura tridimensionale.

Una vista in 2D di una porzione di mappa. I punti neri fino a una distanza di circa 7 miliardi di anni-luce indicano galassie abbastanza vicine, a partire da 10 miliardi di anni-luce troviamo l'idrogeno intergalattico. Ancora, i punti rossi e blu indicano rispettivamente una maggiore e minore presenza di idrogeno. La zona bianca è inaccessibile allo Sloan Telescope. (Cortesia: Anze Slosar and BOSS Lyman-alpha cosmology working group)

Lo studio delle oscillazioni acustiche è di fondamentale interesse perché potrebbe dare grandi contributi alla comprensione dell’energia oscura: dal confronto fra la distribuzione di materia ottenuta dalla mappa di BOSS e quella ricavata dalla radiazione cosmica di fondo si potrà capire se l’espansione dell’universo sia avvenuta in modo costante o variabile.

Tutto ciò lascia ben sperare: se già nel primo anno di vita di BOSS è stato raggiunto un traguardo così importante, che cosa dobbiamo aspettarci dai rimanenti quattro anni? A detta di Slosar, l’articolo prodotto tiene conto solo di una piccola parte dei 160 mila quasar che verranno analizzati. La sua promessa è di riuscire a misurare con estrema precisione, entro il termine di BOSS, la velocità di espansione dell’universo 11 miliardi di anni fa.

Anže Slosar, Andreu Font-Ribera, Matthew M. Pieri, James Rich, Jean-Marc Le Goff, Éric Aubourg, Jon Brinkmann, Nicolas Busca, Bill Carithers, Romain Charlassier, Marina Cortês, Rupert Croft, Kyle S. Dawson, Daniel Eisenstein, Jean-Christophe Hamilton, Shirley Ho, Khee-Gan Lee, Robert Lupton, Patrick McDonald, Bumbarija Medolin, Jordi Miralda-Escudé, Adam D. Myers, Robert C. Nichol, Nathalie Palanque-Delabrouille, Isabelle Pâris, Patrick Petitjean, Yodovina Piškur, Emmanuel Rollinde, Nicholas P. Ross, David J. Schlegel, Donald P. Schneider, Erin Sheldon, Benjamin A. Weaver, David H. Weinberg, Christophe Yeche, & Donald G. York (2011). The Lyman-alpha forest in three dimensions: measurements of large scale
flux correlations from BOSS 1st-year data arXiv arXiv: 1104.5244v1