Euclid : le prime immagini che rivoluzionano la cosmologia

Dalle galassie lontane alla materia oscura: Emiliano Merlin, astronomo dell’INAF, ci guida nella missione che promette di svelare i segreti più profondi dell’ universo

Euclid, il satellite dell’Agenzia Spaziale Europea, ha prodotto le prime immagini dello spazio esaminato che sono state divulgate in occasione dell ’International Astronautical Congress tenutosi a Milano il 15 ottobre scorso.
Emiliano Merlin, primo ricercatore all’Istituto Nazionale di Astrofisica INAF, attualmente lavora all’Osservatorio Astronomico di Roma e fa parte di varie collaborazioni internazionali: Euclid, VRO/LSST, JWST, CANDELS, Hubble. E’ la nostra “guida” nel tentativo di comprendere quanto Euclid riuscirà a svelare sulla natura del nostro Universo e sul suo destino.

• A una prima analisi delle immagini fornite da Euclid cosa colpisce di più i ricercatori?

Le immagini sono meravigliose per la straordinaria qualità dei dettagli visibili, soprattutto se paragonati alla scala enorme del mosaico nel suo insieme. E tanto più tenendo presente che questa anticipazione rappresenta solo l’1% del futuro totale delle osservazioni della missione. Euclid fornirà informazioni molto precise sulle proprietà delle singole galassie osservate, e allo stesso tempo una mole di dati tale da consentire di calcolare statistiche molto robuste, che serviranno per gli scopi scientifici primari della missione. Forse va precisato che in effetti i ricercatori lavorano su immagini molto meno accattivanti rispetto a queste, realizzate più con lo scopo di dare un’idea della missione nel suo insieme che per un vero utilizzo nell’indagine scientifica.

• Le immagini sono relative a un settore di universo osservabile ampio circa 500 volte la luna piena e ci riportano le emissioni di circa 100  milioni di stelle e galassie. In primo piano quindi troviamo stelle delle nostra galassia, la Via Lattea: quali sono le novità che potrebbero emergere per le stelle (ed eventuali sistemi planetari) a noi vicine?

Euclid è una missione pensata per indagare lo spazio profondo, con l’obiettivo di rispondere a domande fondamentali nella cosmologia, in particolare circa le componenti oscure dell’universo: materia ed energia oscura (dark matter e dark energy).
Il suo scopo primario quindi non è quello di osservare le nostre “vicinanze galattiche”. Ciò nonostante, grazie al suo straordinario campo di osservazione, come “byproduct”, Euclid consentirà di studiare circa 100mila oggetti minori del nostro sistema solare. Permetterà anche di cercare pianeti extrasolari sfruttando lo stesso fenomeno usato per studiare la materia oscura, il lensing gravitazionale (microlensing in questo caso), identificando brevi cambiamenti nella luce emessa dalle stelle attorno a cui essi orbitano, in seguito al loro passaggio. Infine potremo studiare l’alone della Via Lattea, grazie alle osservazioni a latitudini celesti elevate, e le stelle nane marroni super fredde, grazie a osservazioni nell’infrarosso a lunghezze d’onda maggiori di quelle osservate, ad esempio, dal satellite GAIA.

• Cosa ci può dire Euclid, già da queste immagini, riguardo invece le galassie più lontane che sono state mappate: potremo arrivare a comprendere meglio l’effetto lente gravitazionale e così anche recuperare informazioni molto preziose sul mistero della materia oscura?

In effetti l’obiettivo non è tanto comprendere meglio l’effetto del lensing, che è perfettamente previsto e descritto dalla relatività generale, quanto sfruttarlo al massimo per conoscere la distribuzione della materia oscura. È uno dei due esperimenti principali della missione: raccogliere dati sulla distorsione da lensing “debole”, causata dagli aloni di dark matter, sulla forma apparente di miliardi di galassie, ricavandone una statistica sufficientemente precisa da consentire di ottenere una mappa 3-D della sottostante distribuzione di materia oscura, a ritroso nel tempo fino a 10 miliardi di anni fa.

• Misteriosa è anche la natura dell’energia oscura che sembra dilatare l’universo osservabile all’infinito: Euclid quali novità potrebbe offrici nell’indagine in questo ambito?

L’altro esperimento della missione riguarda il cosiddetto “clustering” delle galassie, cioè la statistica del loro raggrupparsi in strutture di larga scala più o meno riconoscibili. Secondo il modello cosmologico Lambda-CDM, il clustering deve seguire un andamento molto preciso, dettato dalle condizioni dell’universo primordiale, dal bilancio tra la componente materiale e quella di dark energy, e dalla successiva storia di espansione cosmica; quest’ultima, nelle nostre ipotesi, è guidata dall’energia oscura, quindi analizzando il clustering delle galassie possiamo verificare se le sue caratteristiche sono quelle ipotizzate: in particolare se è davvero una componente costante nel tempo, come la costante cosmologica delle equazioni di Einstein, o una componente dinamica che varia attraverso la storia del cosmo.

• Possiamo ricapitolare gli obiettivi della missione Euclid?

Gli obiettivi sono proprio lo studio di materia ed energia oscura tramite i due esperimenti di lensing debole e clustering delle galassie osservate. Per entrambe queste componenti manca una effettiva caratterizzazione teorica e sperimentale: sono richieste per spiegare i dati osservativi, ma non abbiamo un modello teorico confermato che le spieghi, né evidenze sperimentali della loro esistenza. Per la materia oscura si ipotizza da tempo che si tratti di particelle elementari fuori del modello standard, che però non sono state rilevate sperimentalmente, nonostante decenni di esperimenti; un’altra ipotesi è la modifica delle leggi della gravità definite dalla relatività generale. I dati di Euclid forniranno informazioni sulla distribuzione della materia oscura, contribuendo quindi a definire le sue proprietà, ed elementi a supporto o contro le teorie di gravità modificata. Circa l’energia oscura, si cerca di caratterizzare le sue proprietà attraverso un’equazione di stato contenente dei parametri di cui si vuole determinare il valore numerico; Euclid individuerà questi valori con una precisione dell’1%, discriminando tra diverse ipotesi cosmologiche.

• Qual è il ruolo che l’Esa (Ente spaziale europeo) può ritagliarsi a livello internazionale anche grazie alla missione Euclid?

L’ESA è già una grande potenza mondiale, è l’ente con il terzo budget totale dopo la NASA e l’agenzia spaziale cinese. Euclid è una missione di primissimo piano a livello di missioni spaziali, che vedrà ESA collaborare con la National Science Foundation degli USA per l’analisi dei dati Rubin/LSST, e con altre missioni di grande impatto come DESI, complementari a Euclid e necessarie per il calcolo dei redshift delle galassie. Ma in generale, il fatto di raccogliere dati fotometrici e spettroscopici su miliardi di galassie costituisce di per sé un enorme tesoro di informazioni, e infatti moltissimi ricercatori di tutto il mondo sono già al lavoro in ogni ambito, dallo studio dei transienti alle proprietà delle popolazioni galattiche a tutte le epoche.

• In particolare qual è il coinvolgimento di INAF Osservatorio di Roma: di cosa vi state occupando nello specifico?

A Roma ci sono principalmente due team, uno di cosmologi che lavora all’analisi dei dati per ricavare i parametri cosmologici che sono l’obiettivo principale della missione, guidato da Roberto Scaramella e Vincenzo Cardone; e uno, di cui faccio parte io, che invece lavora sui dati grezzi del telescopio per trasformarli in quello di cui hanno bisogno i cosmologi di cui sopra. In particolare, io insieme a Marco Castellano, Adriano Fontana e Fernando Caro abbiamo scritto e testato il software per ricavare i dati fotometrici delle galassie osservate, che verranno utilizzati principalmente nell’esperimento del lensing. Poi ci sono molti altri ricercatrici e ricercatori che si preparano a lavorare sui dati per tanti scopi scientifici diversi e differenti dagli obiettivi della missione cosmologica.

• Immersi costantemente nella ricerca astronomica e nell’analisi di miriadi di dati complessi da interpretare, gli scienziati si sono detti comunque stupiti dalle prime splendide immagini fornite da Euclid: per lei cos’è la bellezza del cosmo?

Per quanto mi riguarda, lo studio dei segreti dell’Universo è il lavoro più emozionante che possa immaginare, perché porta ogni giorno fino ai confini estremi di quello che è concepibile conoscere e comprendere, ma allo stesso tempo (almeno concettualmente; poi lo stress purtroppo c’è sempre, perché comunque è lavoro…) è una grande fonte di serenità e calma, perché mette in prospettiva le piccole o grandi battaglie e fatiche quotidiane, inquadrandole in un contesto in cui diventano microscopiche rispetto alla grandezza del cosmo. Le guerre, le lotte di interesse che causano disastri naturali e violazioni dei diritti umani e animali: tutto diventa così stupido, se paragonato all’immensità spaziale e temporale del cosmo.

• Anche Euclid, insieme ai telescopi più innovativi, ci porterà a conoscere sempre più in dettaglio lo spazio tempo in cui siamo immersi: arriveremo a vedere anche le stelle primordiali POP III?

Bisogna tenere presente che Euclid ha un campo di osservazioni molto grande e quindi vede un numero enorme di galassie, ma non è pensato per spingersi a osservare epoche primordiali come, ad esempio, JWST. Quest’ultimo però può osservare solo porzioni molto più piccole di cielo. Potendo osservare quindi aree molto più grandi è potenzialmente possibile imbattersi in oggetti peculiari, che nelle survey di piccola area, per quanto molto fonde, sono molto rari. Le POPIII sono forse troppo estreme per Euclid, ma mai dire mai…

• Potremo spingerci davvero ai confini “ultimi” dello spazio tempo prima del Big Bang?

La radiazione di fondo a microonde, che risale a circa mezzo milione di anni dopo il Big Bang, è un limite invalicabile per i nostri telescopi, perché prima di essa l’universo era opaco alla radiazione luminosa e quindi non possiamo sperare di vederlo. Più in là di essa, forse qualcosa può invece venirci detto dalle onde gravitazionali, se e quando impareremo a lavorarci come con quelle luminose. Ma è vero che indirettamente Euclid, se riuscirà a chiarire i misteri di materia ed energia oscura, potrà dirci molto sulla natura del nostro Universo, sulle sue origini, che anche sul suo destino, che dipende in larga misura dalle caratteristiche della dark energy.

Nicoletta Benatelli