Come Euclid aiuterà a svelare cinque grandi misteri

Nel complesso, Euclid affronterà due questioni fondamentali del programma Cosmic Vision dell’ESA: Quali sono le leggi fisiche fondamentali dell’Universo? Come ha avuto origine l’Universo e di che cosa è fatto?

Quali misteri in particolare svelerà Euclid, quindi?

1. Qual è l'evoluzione e la struttura a larga scala del cosmo?

La materia nell'Universo è organizzata in un'enorme rete di strutture. Questa specie di "rete cosmica" è composta da enormi gruppi di galassie connesse tra loro tramite filamenti di gas e materia oscura. Tra questi filamenti si osservano gigantesche regioni prive di sorgenti chiamate "vuoti cosmici". Studiare la struttura cosmica a larga scala è difficile, date le sue dimensioni gigantesche, con i vuoti cosmici che si estendono su distanze di centinaia di milioni di anni luce.

Euclid eseguirà un'ampia mappatura di oltre un terzo del cielo, raccogliendo informazioni su forme, dimensioni e posizioni di miliardi di galassie. Osservando attentamente il cielo, Euclid scandaglierà anche il passato, poiché osserverà dieci miliardi di anni di storia del cosmo. Ciò avviene poiché maggiore è la distanza che ci separa da una stella, maggiore è il tempo necessario affinché la sua luce possa raggiungerci.

Effettuando una precisa mappatura della forma e della distribuzione di uno svariato numero di galassie, Euclid sarà in grado di svelare la "geografia" e la storia della struttura cosmica a larga scala. Anche se la materia oscura è invisibile ai nostri occhi, la sua presenza altera il percorso della luce delle galassie più distanti. Questo effetto è chiamato lente gravitazionale e sarà osservato da Euclid, rivelando così come si distribuisce la materia oscura nell'Universo.

2. Qual è la natura della materia oscura?

Malgrado decenni di ricerche, non siamo ancora a conoscenza di ciò che compone la cosiddetta massa mancante nell'Universo, chiamata materia oscura. Il confronto tra diversi modelli cosmologici e le misurazioni hanno finora corroborato l'ipotesi secondo cui la materia oscura è composta per lo più da particelle "fredde", il che significa che sono pesanti e dal movimento relativamente lento. Tuttavia, è possibile che una parte della materia oscura sia composta da particelle leggere che si muovono a una velocità vicina a quella della luce, la cosiddetta materia oscura "calda". Resta la domanda di quale frazione di materia oscura sia calda, ammesso che questa esista.

La materia oscura calda potrebbe essere composta da particelle "fantasma" chiamate neutrini, che interagiscono solamente in modo molto debole con il resto della materia. In origine si pensava che i neutrini fossero privi di massa, tuttavia ci sono indicazioni più recenti che queste particelle possano essere dotate di una massa minuscola.

Possiamo utilizzare le precise misurazioni della struttura cosmica effettuate da Euclid per svelare la massa totale di neutrini nel nostro Universo e, in tal modo, derivare quanta materia oscura possano costituire. Nonostante la loro forza gravitazionale, la velocità di propagazione dei neutrini indica che tendono a rallentare la formazione della struttura, rendendola più "diffusa".

La scoperta più entusiasmante di questa missione sarebbe qualcosa che non ci aspettiamo. Le osservazioni inedite dell'Universo extragalattico effettuate da Euclid potrebbero svelare l'esistenza di nuove specie di particelle veloci. Il detective dell'Universo oscuro è pronto!

3. Com'è cambiata nel tempo l'espansione dell'Universo?

Negli anni '90, i cosmologi fecero la sorprendente scoperta che l'Universo si espande in modo più veloce rispetto al passato. Fin dalle sue origini con il Big Bang, l'Universo si sta espandendo, ma fino a poco tempo fa le scienziate e gli scienziati ritenevano che la velocità di tale espansione sarebbe diminuita con il tempo, poiché la gravità di tutta la materia dell'Universo dovrebbe rallentare tale espansione. Comprendere perché invece questa sia in acceleramento resta una delle sfide più intriganti della cosmologia e della fisica teorica.

Le prove dell'acceleramento dell'espansione si basano sulle differenze nella brillantezza e nel colore delle cosiddette "candele standard": oggetti astronomici con una luminosità nota e costante. Gli oggetti che si trovano a una maggiore distanza da noi appaiono meno luminosi e di colore "più rosso", perché l'espansione dello spazio-tempo allunga la lunghezza d'onda della luce nel suo percorso, un effetto di arrossamento della sorgente chiamato appunto "spostamento verso il rosso". Euclid misurerà anche lo spostamento verso il rosso della luce proveniente dalle galassie, il che permette di derivarne la distanza da noi. 

Effettuando la scansione di oltre un terzo del cielo, grazie a un telescopio così sensibile da percepire la luce che ha impiegato 10 miliardi di anni a raggiungerci, Euclid ci permetterà di capire come il tasso di espansione dell'Universo è cambiato nel tempo.

Grazie alla visione a grandangolo, Euclid studierà inoltre se l'espansione è la stessa in tutte le direzioni. In caso contrario, ciò infrangerebbe quello che è noto come "principio cosmologico", in base al quale, su una scala sufficientemente ampia, l'Universo ha lo stesso aspetto in tutte le direzioni (isotropia) e da qualsiasi luogo (omogeneità). Questo fondamento è alla base di quasi tutti i modelli e metodi di analisi utilizzati in cosmologia.

4. Qual è la natura dell’energia oscura?

Oltreché conoscere i dettagli della storia dell'espansione dell'Universo, vogliamo anche sapere che cosa ne alimenta l'accelerazione. I cosmologi hanno definito questo elemento sconosciuto dell'Universo l' "energia oscura". Nessuno ne conosce la natura, e se si tratta di una forma di energia!

L'ipotesi più plausibile è quella suggerita da Albert Enstein nel 1917. Einstein introdusse nei propri calcoli la "costante cosmologica", un campo d'energia costante presente nell'intero Universo. È una proprietà intrinseca del vuoto dello spazio, per cui quanto più volume c'è nello spazio, maggiore sarà l' "energia del vuoto" (energia oscura) presente e maggiori saranno i suoi effetti.

Ma esistono proposte alternative. Ad esempio, l'accelerazione potrebbe essere provocata da una quinta forza fondamentale della natura, che si evolve con l'espansione dell'Universo. Diversamente dalla costante cosmologica, questa "quintessenza" è dinamica, dipendente dal tempo e non è necessariamente distribuita in modo uniforme nello spazio.

Ogni possibile spiegazione di che cosa sia questa energia oscura altera il modo in cui l'accelerazione cambia nel tempo cosmico, ma finora nessun esperimento è riuscito a misurare l'accelerazione in modo sufficientemente dettagliato per poter differenziare le possibili soluzioni. Le misure estremamente precise e accurate esguite da Euclid renderanno possibile determinare i parametri dell'accelerazione e questo aiuterà a rivelare la vera natura dell'energia oscura.

5. Comprendiamo appieno la gravità?

L'esistenza di materia oscura e l'espansione in accelerazione dell'Universo indicano che manca qualcosa di importante alla nostra comprensione. Queste due sorprendenti scoperte hanno una cosa in comune: sono legate alla gravità. La gravità tiene insieme i pianeti, le stelle, i sistemi solari e persino le galassie. La viviamo ogni giorno: ci mantiene con i piedi per terra e fa cadere gli oggetti verso il basso anziché in qualsiasi altra direzione.

La migliore teoria a nostra disposizione per descrivere la gravità è quella della relatività generale di Albert Einstein. Secondo questa teoria la gravità non è esattamente una forza d'attrazione, ma piuttosto la conseguenza di come oggetti massici curvano lo spazio-tempo. Un oggetto dotato di massa deforma lo spazio-tempo, così come una palla pesante spinge verso il basso un trampolino elastico e palle più leggere appoggiate su di esso rotoleranno automaticamente verso il centro dell'incavo.

La relatività generale ha anche altre implicazioni, come l'esistenza dei buchi neri e delle onde gravitazionali; il tempo che trascorre più velocemente o lentamente per diversi osservatori, in base alla loro velocità relativa e all'accelerazione, oltre che all'intensità della forza gravitazionale che sperimentano; il percorso della luce è influenzato dalla gravità.

Di volta in volta le previsioni della relatività generale si sono rivelate corrette. Ma non è stato condotto alcun test di questa teoria con la precisione elevata sulle grandi distanze e tempi cosmologici che verranno coperti da Euclid. In tal modo, Euclid può rivelare se le leggi della relatività generale perdono validità su larga scala. Se così fosse, i fisici dovranno ritornare a fare i calcoli.