Euclid

19/03/2021

La missione Euclid e l’origine dell’Universo in espansione accelerata

Euclid è il nome di una missione di classe media dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA). Selezionata nel mese di Ottobre del 2011, Euclid studierà miliardi di galassie disposte nell’Universo fino a una distanza di 10 miliardi di anni luce, coprendo più di un terzo dell’intero cielo. Questo permetterà agli astronomi di misurare la storia dell’espansione dell’Universo e il tasso di crescita delle strutture cosmiche. Sarà possibile inoltre caratterizzare in dettaglio materia oscura ed energia oscura e verificare su scale cosmiche la teoria della Relatività Generale.

La Cosmologia è quella scienza che ha come oggetto di studio l’Universo nel suo insieme, la sua nascita e la sua evoluzione successiva. Possiamo collocare la nascita della Cosmologia nella seconda metà del XX secolo, quando Albert Einstein pubblicò la sua teoria della Relatività Generale. Questo evento fornì l’ambiente matematico necessario alla descrizione dell’Universo.

Gli ingredienti dell’Universo. Crediti: ESA

Poco più di un secolo dopo, oggi è ampiamente riconosciuto il fatto che la materia ordinaria (o materia barionica) costituisce solo una piccola frazione della densità di energia dell’Universo. Oggi, infatti, si pensa che il 95% circa del tutto sia costituito da forme sconosciute di materia ed energia chiamate, rispettivamente, “materia oscura” e “energia oscura”. La materia oscura contribuisce alla gravità dell’Universo su scala delle galassie e degli ammassi di galassie; l’energia oscura agisce su scala più grande e provoca un’accelerazione nell’espansione dell’Universo.

Combinando questi ingredienti oscuri con la materia barionica i cosmologi hanno realizzato una descrizione matematica straordinariamente accurata del comportamento dell’Universo.

Si chiama modello Lambda-CDM, dove Lambda è l’energia oscura e CDM è la “Cold Dark Matter”.

Lambda è anche conosciuta come Costante Cosmologica. Fu introdotta per la prima volta da Albert Einstein nel suo modello di Universo. A quel tempo tutti credevano nell’assunzione che l’Universo era statico, immutabile. Così Einstein usò la costante cosmologica per bilanciare l’effetto della gravità nell’Universo. Il viaggio verso l’odierno modello Lambda-CDM iniziò nel 1927 con l’astrofisico belga Georges Lemaître: analizzando la teoria della relatività generale predisse l’espansione dell’Universo. Il tutto venne confermato due anni più tardi dall’astronomo americano Edwin Hubble grazie alle osservazioni compiute su galassie distanti viste allontanarsi da noi con velocità di recessione crescenti all’aumentare della distanza.

Nel 1931 Lemaître, dopo ulteriori analisi, propose che l’Universo aveva conosciuto, nel passato, uno stato in cui era estremamente compatto. Fu la genesi dell’idea di quello che noi oggi chiamiamo big bang. Questo stato primordiale dell’Universo fu confermato nel 1966 con la scoperta della Radiazione di Fondo Cosmico nelle microonde.

La Radiazione di Fondo permea tutto l’Universo e rappresenta la prima luce del cosmo. Le proprietà di questa radiazione fossile dipendono dal quantitativo dei diversi tipi di materia e energia presenti nell’Universo. L’analisi della Radiazione di Fondo ha permesso ai cosmologi di mettere dei vincoli alle proprietà degli ingredienti cosmici. La missione Planck dell’ESA ha prodotto le mappe più precise finora ottenute della Radiazione di Fondo osservando il cielo tra il 2009 e il 2013, concludendo che il 4,9 % dell’Universo è costituito da materia barionica, il 26,8 % da materia oscura e il 68,3 % da energia oscura. Cosa sono, dunque, materia oscura e energia oscura? Anche se ci sono diverse ipotesi, gli scienziati non sono riusciti a rilevare la materia oscura attraverso esperimenti condotti in laboratorio, oppure a formulare una spiegazione convincente circa la natura dell’energia oascura.

Materia oscura ed energia oscura sembrano indicare il fatto che nell’Universo c’è una fisica sconosciuta in azione. In particolare, la materia oscura non può essere spiegata dal Modello Standard delle particelle e l’energia oscura non può essere conciliata con la meccanica quantistica. Ed è proprio a questo punto che entra in azione Euclid.

Le osservazioni condotte da Euclid permetteranno la realizzazione anche di altre indagini. Dall’analisi delle strutture cosmiche si può ricavare la massa del neutrino. I neutrini possono essere considerati “hot dark matter” perché si muovono a velocità relativistiche. Dato che i neutrini nel tempo possono cambiare la loro natura, questo campo d’indagine sarà molto importante.

Euclid Consortium

Segmento di Terra dello Euclid Consortium

Il Satellite

Lo strumento NISP

Il Coinvolgimento di OAS in Euclid

Più di 30 persone (staff e post-docs, senza contare gli associati) sono coinvolte attivamente al successo della missione Euclid. Tra tutte le aree di ricerca dello Euclid Consortium, elenchiamo (lista non esaustiva):

  • Spettro-Fotometro Infrarosso (Strumento NISP):
    • Consegna dell’Elettronica Calda (comprendendo Product Assurance, Configuration and Management)
    • Consegna del Grism Wheel Assembly (GWA)
    • Design Termico
    • Electrical Ground Support Equipment (elettronica di supporto per i test a terra)
    • Software dell’Unità di Processamento Dati di bordo (precedentemente presso OAPd)
    • Modello hardware di strumento a terra (collocato nel nostro laboratorio)
    • Gruppo per le Operazioni di Strumento (operazioni in volo)
  • Science Ground Segment:
    • OU-SPE (Studio degli algoritmi per misure di caratteristiche spettrali e test su dati simulate)
    • OU-PHZ (parametri fisici di galassie da fotometria Condotta nella Wide Survey di Euclid)
  • Science Working Group:
    • Evoluzione galattica e AGN
    • Clusters
    • Strong Lensing
    • Fisica fondamentale e cross-correlazione con osservazioni della Radiazione di Fondo cosmico nelle Microonde
    • Estimatori e Likelihood
  • Partecipazione alla definizione della Survey

Infine, ma non meno importante, dal 2011 OAS Bologna è la struttura di ricerca dell’INAF responsabile dei fondi di supporto ASI per Euclid.