Il Telescopio spaziale Euclid che indaga i misteri dell'Universo

Intervista a Marco Castellano, primo ricercatore presso l’Osservatorio Astronomico di Roma (INAF), autore in oltre 250 pubblicazioni scientifiche e membro di numerose collaborazioni internazionali tra cui, dal 2012, dell’ Euclid Consortium.

Nel febbraio scorso è entrato pienamente in funzione il Telescopio EUCLID realizzato dall’ESA, Ente Spaziale Europeo, in collaborazione con la NASA. L’obiettivo è mappare, nei prossimi cinque anni, miliardi di galassie indagando lo spazio-tempo fino a risalire a circa 10 miliardi di anni fa.
EUCLID è stato lanciato nel 2023 e ora si trova nel Punto di Lagrange L2 del sistema Sole-Terra.
Da qui, potrà mappare un terzo dell’universo osservabile.

• Dottor Castellano, come è stata la scelta la posizione del Telescopio e con quali finalità?

Il punto L2 è una posizione estremamente favorevole per tenere in orbita dei telescopi. Si è scelta questa soluzione per Euclid, così come in passato per altri telescopi spaziali (James Webb Space Telescope, GAIA, Planck). Il vantaggio è che in L2 il telescopio è a una distanza fissa dalla terra e orbita attorno al sole assieme ad essa. E’ una posizione di equilibrio gravitazionale, dove si può mantenere il telescopio con un dispendio relativamente basso di carburante. Inoltre, stando in L2, il telescopio può essere posizionato in modo da proteggersi allo stesso tempo dall’irraggiamento del sole, della terra e della luna: questo è un fattore essenziale per ottenere la massima sensibilità nelle osservazioni dell’Universo lontano.

• Ci può spiegare in termini divulgativi qual è il compito di EUCLID?

Euclid traccerà una mappa della distribuzione spaziale delle galassie su un grande volume di spazio-tempo che corrisponde a oltre il 70% del tempo di vita dell’Universo. La struttura a grande scala delle galassie è influenzata dalla dinamica dell’espansione e dal contenuto di materia nell’Universo. Sappiamo che l’espansione sta accelerando, e questo viene attribuito a una componente di massa-energia definita di “energia oscura”, mentre una seconda componente, la “materia oscura”, si pensa sia necessaria a spiegare la formazione e la dinamica delle galassie. Poter paragonare la dettagliata mappa della “ragnatela cosmica” osservata da Euclid a quanto predetto dai modelli teorici permetterà di comprendere le proprietà di queste componenti oscure che costituiscono uno dei maggiori misteri della fisica moderna.

• Sappiamo che EUCLID è dotato di un telescopio da 1,2 metri di diametro e di due strumenti scientifici: una fotocamera che lavora alle frequenze visibili, e uno spettrofotometro infrarosso. Ci può spiegare come si completano queste due tecnologie nel cercare di costruire una mappa dello spazio-tempo osservato?

Euclid ricostruirà la mappa della distribuzione di massa nel cosmo principalmente tramite due tipi di osservazioni. Il primo è la misura su circa un miliardo e mezzo di galassie dell’effetto di lente gravitazionale “debole”, cioè la distorsione della forma e dimensione delle galassie lontane dovuta alla materia che si trova tra noi ed esse. Il secondo è una vera e propria ricostruzione della distribuzione tridimensionale delle strutture cosmiche ottenuta misurando allo stesso tempo la posizione sulla sfera celeste e, tramite la misura spettroscopica del redshift, la distanza di circa 35 milioni di galassie. Per mappare un così grande volume di spazio-tempo è necessario un telescopio che riesca a osservare in pochi anni gran parte del cielo, possa misurare con estrema precisione la forma delle galassie lontane e anche il redshift di un gran numero di queste.

• Quali sono le differenze più rilevanti rispetto ai Telescopi terrestri e ad altri Telescopi spaziali come il James Webb?

Rispetto ai telescopi da terra, Euclid ha il vantaggio di non risentire degli effetti dell’atmosfera, quindi la sua camera che osserva nel visibile può misurare la morfologia delle galassie e dunque l’effetto di lente con grande dettaglio. Lo spettrografo infrarosso è  indispensabile per la misura del redshift di galassie lontane, e anche a questo scopo la scelta migliore è l’osservazione dallo spazio perchè la nostra atmosfera limita fortemente la visibilità a queste lunghezze d’onda. Anche JWST osserva nell’infrarosso, ma ha un campo di vista centinaia di volte più piccolo: Euclid può osservare più di un terzo del cielo in pochi anni mentre il James Webb è un telescopio concepito per osservare piccole zone di cielo o singole sorgenti a grande profondità.

• EUCLID è frutto della ricerca e della tecnologie europee, quale ruolo ha avuto e ha l’Italia nel progetto?

L’Italia ha rivestito da subito un ruolo fondamentale nella progettazione e sviluppo di Euclid, che infatti nasce nel 2011 dall’unione di due diversi progetti spaziali di cui uno di spettroscopia, denominato SPACE, a guida italiana e l’altro, DUNE a guida francese, ma a cui collaboravano già scienziati italiani. L’Italia ha dato un contributo importante da un punto di vista industriale: il satellite è stato costruito e assemblato a Torino ed elementi importanti della strumentazione sono stati prodotti in Italia da Thales Alenia Space, Leonardo e altre aziende del settore aerospaziale fondamentale per la nostra economia. ASI finanzia e coordina le attività italiane in Euclid a cui partecipano scienziati di INAF, INFN, Università su tutto il territorio nazionale, e di ASI stessa.

• Qual è il ruolo rivestito da INAF (Istituto nazionale di astrofisica) e da ASI (Agenzia spaziale italiana)?

Oltre 150 ricercatori INAF partecipano alle attività della collaborazione (lo Euclid Consortium) ricoprendo anche ruoli di responsabilità chiave nella programmazione scientifica e nello sfruttamento dei dati. Sotto responsabilità INAF vi sono ad esempio la verifica dello strumento infrarosso NISP, il gruppo che si occupa della pianificazione delle osservazioni, il coordinamento e numerose attività dello Scientific Ground Segment, cioe’ l’organismo preposto al processamento e analisi dei dati, e il coordinamento di numerosi progetti di sfruttamento scientifico dei dati.

• Indagare le galassie più lontane significa registrare la luce emessa miliardi di anni fa, questa radiazione elettromagnetica è soggetta al fenomeno detto redshift. Di cosa si tratta?

Il redshift è l’effetto più semplice e diretto dell’espansione dell’universo: tutte le distanze si “allungano” perché è lo spazio stesso ad espandersi, e così si “espandono” anche le lunghezze d’onda elettromagnetiche. Considerando le frequenze visibili all’occhio umano, la luce rossa ha una lunghezza d’onda maggiore della luce blu, per questo il fenomeno ha preso il nome di “spostamento verso il rosso”, redshift appunto.

• Come saranno catalogate e poi diffuse le immagini della fotocamera e i dati delle emissioni spettrometriche a infrarosso?

L’analisi delle osservazioni di un telescopio come Euclid richiede una complessa elaborazione, tanto che all’interno della collaborazione diversi gruppi di ricerca si sono divisi il compito di sviluppare la “pipeline”, software che porta dai dati “grezzi” acquisiti dallo strumento al catalogo vero e proprio di tutti gli oggetti osservati. In breve, tutti i dati, sia le immagini che le osservazioni spettroscopiche, vengono prima “ripuliti” da eventuali effetti strumentali e calibrati in modo che a ogni pixel si possa associare una posizione precisa in cielo e un valore fisico del flusso di fotoni proveniente da quella data posizione. Nelle immagini sia ottiche che infrarosse così calibrate, vengono poi individuate tutti le sorgenti celesti, galassie e stelle, in modo da poterne misurare l’emissione alle diverse lunghezze d’onda e poter associare a ciascuna uno spettro dalle osservazioni dello spettrografo. I dati così processati, cioè immagini, spettri e il catalogo delle sorgenti, vengono quindi distribuiti all’interno della collaborazione e successivamente rilasciati pubblicamente a tutta la comunità scientifica.

• Noi conosciamo solo un 5% della materia (detta “barionica”) che forma ciò che vediamo dell’universo osservabile e che caratterizza anche il sistema solare, la terra con il suo ambiente naturale e finanche gli esseri umani. Ma ben il 95% dell’universo osservabile sembra composto da materia ed energia “oscura”. Indagare questi grandi misteri sarà il compito principale di EUCLID che rende omaggio al matematico greco padre della geometria euclidea, in realtà però il telescopio spaziale dell’ESA indagherà gli effetti geometrici della curvatura dello spazio-tempo quindi entreremo nella profondità della geometria non euclidea, è così?

Assolutamente, per scrivere le equazioni della relatività generale, Einstein dovette ricorrere alla geometria non euclidea, cioè la geometria degli spazi curvi, sviluppata da Riemann, Poincaré e altri grandi matematici del diciannovesimo secolo. Questa matematica è la base della moderna cosmologia e dunque delle misure che verranno effettuate sui dati di Euclid. Basti pensare all’effetto di lente gravitazionale dovuto alla curvatura dello spazio che è a sua volta associata dalla teoria di Einstein al relativo contenuto di massa-energia. La missione rende giustamente omaggio a chi ha compiuto il primo passo in questa direzione: Euclide, uno dei matematici più influenti della storia, fondatore della geometria e quindi dell’idea stessa di poter descrivere la “struttura” del mondo tramite regole matematiche universali, una pietra miliare sulla strada verso il metodo scientifico vero e proprio.

• Di cosa si suppone sia composta la “materia oscura” e quali sono gli elementi che EUCLID ricercherà per delinearne la natura? Vi sono altri effetti correlabili alla “materia oscura”, oltre alla “lente gravitazionale”?

Per materia oscura si intende una forma di massa-energia che non produce onde elettromagnetiche e la cui presenza è stata ipotizzata osservandone gli effetti di attrazione gravitazionale.
A oggi esistono molte teorie su cosa possa essere questa materia, in particolare particelle ipotizzate da estensioni o modifiche del modello standard. Esistono anche teorie alternative che al posto della materia oscura considerano la necessità di modificare la teoria della gravità o le leggi della dinamica. Euclid potrà ricavare informazioni sulla massa dell’ipotetica particella di materia oscura, o elementi a supporto di teorie di gravità modificata misurando la distribuzione spaziale delle galassie ma anche osservando l’abbondanza di galassie e ammassi di galassie di diversa massa a varie epoche cosmiche, e tramite la misura di sorgenti soggette a effetti di lente gravitazionale “forte”.

• L’“energia oscura” potrebbe essere associata all’“energia del vuoto”: da cosa si suppone potrebbe essere composto il vuoto?

Quello che osserviamo è l’espansione accelerata dell’Universo, e le spiegazioni possibili sono molteplici: potrebbe trattarsi di un campo di energia sconosciuto (un cosiddetto “campo scalare”) presente nell’intero universo, o la manifestazione di una nuova forza o potrebbe segnalare una inadeguatezza della teoria della gravità su scale cosmologiche e la necessità di una teoria più completa. La cosiddetta “energia del vuoto” è una delle possibili spiegazioni, un caso particolare di campo di energia che corrisponderebbe alla costante cosmologica ipotizzata (anche se per tutt’altro motivo) da Einstein. L’energia del vuoto che viene calcolata tramite la teoria quantistica dei campi, essenzialmente dovuta alla continua creazione e distruzione di particelle “virtuali”, è però molti ordini di grandezza maggiore di quella che serve a spiegare l’espansione accelerata. E’ ragionevole quindi pensare che per comprendere l’”energia oscura” a livello di fisica fondamentale si debba andare oltre alle teorie attuali, ed è per questo che fisici e astrofisici ripongono molte speranze in missioni come Euclid che studieranno in dettaglio la dinamica dell’Universo.

• EUCLID riuscirà a dare un contributo fondamentale per descrivere la Teoria del Tutto in grado di unire la teoria della relatività (sulla gravità) alle leggi della meccanica quantistica che governano l’infinitamente piccolo?

La cosmologia e in particolare la comprensione delle componenti “oscure” possono davvero essere una strada per comprendere meglio sia la natura della gravità che per trovare risposte agli interrogativi irrisolti del modello standard delle particelle. A oggi ovviamente non sappiamo se possa esistere una teoria che unifica tutte le forze, né siamo certi che la gravità abbia anche una natura quantistica. Ma l’astrofisica e la cosmologia sono viste come un banco di prova per tutte quelle teorie, come la teoria delle stringhe e la “gravità quantistica a loop”, che aspirano a una comprensione intima e unitaria della natura dello spazio-tempo. Euclid darà un contributo fondamentale alla cosmologia, c’è la speranza quindi che ci metta anche sulla strada giusta verso una teoria più completa delle interazioni fondamentali.

Nicoletta Benatelli