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19 novembre 2012 1 19 /11 /novembre /2012 15:28

Misura-dell-energia-oscura-con-le-quasar.jpg

Un team internazionale di scienziati sta misurando il ruolo dell'energia oscura nell'evoluzione dell'universo, utilizzando una nuova tecnica di mappatura che utilizza quasar per sondare l'energia oscura oltre 10 miliardi di anni nel passato.                                                                                                                                                                       

Luce da quasar distanti (puntini rossi a sinistra) è parzialmente assorbita durante il passaggio attraverso le nubi di gas idrogeno. Una "foresta" di righe di assorbimento dell'idrogeno nello spettro di un quasar individuato (nel riquadro) da ciuffi densi, individua gas lungo, e gli spettri sono raccolti da uno spettrografo del telescopio.                                                                                                                         La gamma di redshift accessibili corrisponde in media ad una datazione di circa 10 miliardi di anni fa. La Sloan Digital Sky Survey  ha precedentemente raccolto spettri da alcuni quasar in questo intervallo, misurando 10 volte il numero per grado quadrato di cielo.                                                   BOSS può ricostruire una mappa tridimensionale del gas altrimenti invisibile, rivelando la struttura a grande scala dell'universo primordiale.                                                                                           L’illustrazione si deve a Zosia Rostomian, Lawrence Berkeley National Laboratory, Nic Ross, BOSS Lyman-alfa squadra, Berkeley Lab e Springel et al Virgo Consortium e Max Planck Institute for Astrophysics.                                                                                                                                                                                                          BOSS, ovverossia l'indagine oscillazione Baryon spettroscopica, di un volume enorme di spazio per misurare il ruolo dell’energia oscura nell'evoluzione dell'universo.                                                                BOSS è il più grande programma del terzo Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) e ha appena annunciato il primo importante risultato di una nuova tecnica di mappatura, sulla base degli spettri di più di 48.000 quasar con redshift  fino a 3,5, il che significa che la luce lasciata da queste galassie erano attive nel passato fino a 11,5 miliardi di anni addietro.                                                                                                "Nessuna tecnica per la ricerca dell'energia oscura è stata in grado, prima,  di sondare questa epoca antica, -dice il ricercatore  del BOSS, David Schlegel, astrofisico presso la Divisione di Fisica del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)- cioè in un momento in cui la materia era ancora abbastanza densa per gravità per rallentare l'espansione dell'universo, e l'influenza di energia oscura non s’era ancora fatta sentire".                      "Nel nostro tempo, l'espansione –ha poi ribadito- sta accelerando perché l'universo è dominato da energia oscura. Come l'energia oscura ha effettuato il passaggio dalla decelerazione all'accelerazione è una delle domande più difficili in cosmologia ".                                                                  Due modi per misurare l'universo in espansione                                                                                                                       Come una collaborazione internazionale,  gli studi con BOSS  sull’energia oscura hanno mappato le oscillazioni acustiche dei barioni (BAO) - la grande rete di variazioni nella distribuzione delle galassie visibili e difficili da- vedere nubi di gas intergalattico, ma rivelano pure l’impossibilità di vedere la materia oscura. La spaziatura regolare di picchi di densità di materia, origina variazioni di densità primordiali, i cui resti sono visibili nella radiazione cosmica di fondo,  a livello di microonde. Questo spazio offre un righello cosmico per la calibrazione del tasso di espansione, ovunque può essere misurata la BAO.                                                                                                                             Utilizzando il telescopio Sloan Foundation presso l’Apache Observatory nel New Mexico, BOSS ha montato una duplice indagine spettroscopica di BAO.                                                                  La prima priorità è stata di esaminare normali galassie luminose con spostamenti verso il rosso fino a 0,8, che corrispondono a  circa sette miliardi di anni del passato. I primi risultati del sondaggio delle galassie, comprendeva oltre 300.000 galassie e, sono stati annunciati nel marzo 2012.                                                                                                                                                       Ma la raccolta di galassie a redshift abbastanza alti da mappare con i  BAO nell'universo molto precoce non può essere fatto con un telescopio di 2,5 metri. Così è stato scelto il secondo bersaglio dei BOSS: i quasar.                                                                                                                                      "I quasar sono gli oggetti più luminosi nel cielo, e  l'unico modo credibile -dice Schlegel- per misurare spettri fuori a redshift 2.0 e oltre. In questi spostamenti verso il rosso ci sono galassie cento volte più di quasar, ma sono troppo deboli per usare il BAO."                                                                                                                     I quasar sono troppo scarsi per misurare direttamente il BAO, ma c'è un altro modo in cui rivelano BAO a elevati redshift. Appena la luce di un quasar passa attraverso le nubi di gas intergalattico sulla sua strada verso la Terra, il suo spettro si sviluppa un gran numero di righe di assorbimento dell'idrogeno, noto come foresta Lyman-alfa.                                                                                Idealmente, ogni linea di assorbimento nella "foresta" rivela dove è passata la luce del quasar attraverso una nube di gas che ne condiziona l’aspetto. Le protuberanze di diversi redshift delle righe di assorbimento nello spettro di un singolo quasar  rivelano come la densità del gas varia con la distanza lungo la linea di osservazione.                                                                                                                Con quasar abbastanza vicini che coprono una vasta distesa di cielo, la distribuzione degli interventi di nubi di gas possono essere mappati in tre dimensioni.                                                    Idea avanzata nei primi anni 2000 da Patrick McDonald  (Istituto canadese di Astrofisica Teorica), e Martin White, al Berkeley Lab.                                                                                                                                                                                  "Quando ho presentato l'idea a una conferenza dei cosmologi, nel 2003, hanno pensato che fossi pazzo, -dice White, professore di fisica e astronomia presso l’Università of California a Berkeley e presidente delle squadre scientifiche di indagine BOSS- ma nove anni più tardi, BOSS ha dimostrato che si tratta di una tecnica incredibilmente potente. E’ riuscita di là dei nostri sogni più folli. "                                                                                                                                                          SDSS-III è  uno spettrografo molto più sofisticato, la cui costruzione è stata diretta da Natalie Roe,  del Berkeley Lab, e consente una copertura molto migliore e una risoluzione più efficace di precedenti indagini, ma la ricerca di BAO nella foresta Lyman-alfa è ancora un alto rischio per molte ragioni. Le righe di assorbimento Lyman-alfa si verificano nella parte ultravioletta dello spettro, è assorbita dall'atmosfera terrestre. Dalla Terra, solo i quasar i cui spettri sono spostati verso il rosso sono utili in giusta quantità. Le linee danno solo idrogeno neutro, mentre  la maggior parte dell'idrogeno nell'universo è ionizzata. Tra le altre incertezze, il riscaldamento irregolare di nubi di idrogeno, o quasar troppi troppo vicini tra loro, potrebbero distorcere il segnale che viene percepito.                                                                                                                                                                                          "Rispetto a un sondaggio delle galassie, -dice Nicholas Ross (Berkeley Lab), che ha guidato il team- la ricerca di BAO nella foresta Lyman-alfa è ad alto rischio, ma ad alta ricompensa". Per catturare abbastanza spettri di quasar e mapparli sono necessari, un minimo di 15 a 20 quasar per grado quadrato di cielo. BOSS avrebbe dovuto destinare il 10 per cento dei due milioni di obiettivi individuali nei suoi cinque anni alla ricerca di possibili quasar. Gli obiettivi dovevano essere scelti dai dati fotometrici (luminosità di un oggetto in diversi colori), ma solo dopo che gli spettri sono stati presi, sarebbe stata la squadra ad assicurarsi che gli obiettivi erano realmente quasar e che erano stelle o qualche altro corpo stellare che imita  i quasar.BOSS ha colto l'occasione.                                                                                                                                                             "Abbiamo avuto una cosa in nostro favore,- ha detto Ross- non importa il tipo di quasar utilizzato, fino a quando il redshift era alto. Per identificarli abbiamo potuto utilizzare i dati ultravioletti, vicino ai dati dell’infrarosso e, qualsiasi altro metodo, qualsiasi trucco, avendo solo intenzione di usarli come retroilluminazione per sondare le nuvole intermedie di gas. Alla fine abbiamo scoperto che tutti i nostri algoritmi di selezione hanno funzionato bene. "

Alla ricerca del segnale : Il primo risultato Lyman-alpha, cioè la prima mappa di BAO in questa fase molto precoce di evoluzione dell'universo, si basava solo su un terzo del volume di spazio che BOSS mappa alla fine, e comprende 60.369 quasar, confermati  mediante l’ ispezione visiva dei loro spettri. Ma per semplificare la ricerca di BAO, molti sono stati scartati.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  "Per ottenere dai dati BAO, - ha detto Carithers Bill (Berkeley Lab)- dobbiamo rimuovere gli artefatti che alterano il segnale che stiamo cercando. Una classe di scarti che assorbe ampiamente sulla linea dei quasar, i cui spettri sono condizionati da gas in movimento estremamente rapido, dal centro attivo del quasar. Un'altra classe sono i quasar i cui spettri sono smorzati come molto antichi dalla Lyman-alfa  – Carithers, precisa che questo succede- quando la luce del quasar si imbatte in un gruppo molto, molto grande di gas, così grande che cancella la linea di spettri della foresta."  Rimossi gli spettri inutili, BOSS ha dunque utilizzato  48.129 quasar. Nel maggio del 2011, un team guidato da Anže Slosar (Brookhaven National Laboratory), al Berkeley Lab, aveva già dimostrato la praticità di misurare la densità variabile del gas idrogeno intergalattico a distanze cosmologiche, utilizzando solo 14.000 quasar che sono abbastanza  per BOSS,- ha detto Slosar-, a stabilire una prova del concetto ".                                                                                            Fino a poco tempo, mappe tridimensionali di BOSS e altre indagini hanno misurato la distribuzione regolare delle galassie da una media di circa cinque anni a mezzo miliardo di anni fa, un tempo in cui l'espansione dell'universo stava già accelerando. Le misurazioni Boss dei quasar (cerchio rosso, a sinistra), misurando la distribuzione di gas intergalattico, hanno studiato la struttura del primo Universo in un momento di espansione ancora in rallentamento sotto l'influenza della gravità.                                                                                                                                                                I dati dai quasar danno una nuova spiegazione alla transizione dalla decelerazione all'accelerazione causata da energia oscura".                                                                                                                                                                                                  <Non usiamo le informazioni specifiche da un solo punto di vista, -dice Carithers- guardiamo le correlazioni tra molti. BOSS è stato il primo a fare questo avendo abbastanza quasar, con troppo pochi, non è possibile vedere il modello>.                                                                                                                                                                                                                     <Oltre ad aiutare convertire i dati grezzi provenienti dal telescopio in utili informazioni scientifiche, - Stephen Bailey (Berkeley Lab), responsabile della generazione di dati simulati - chiamati "deride" - per assicurarsi che l'analisi era affidabile. I mocks sono importanti quando si sta cercando di misurare qualcosa che non è mai stata misurata prima. Sappiamo dove sono i quasar reali e sappiamo come funziona la fisica del gas è, ma non sappiamo dove è il gas. Le nostre simulazioni sono basate sulle posizioni e redshift dei quasar reali, ma con dei finti spettri  danno distribuzioni diverse di gas>.                                                                                                                                                                                    <Alla fine, dopo l'elaborazione dei dati e la generazione di finti spettri, sul computer Linux Riemann, le analisi concorrenti della foresta Lyman-alfa di oltre 48.000 quasar hanno dato tutti risultati simili. Le tecniche analitiche utilizzate in questo report sono stati sviluppati da Andreu Font-Ribera e dai suoi collaboratori, gruppo di  partecipazione francese del BOSS. Applicate agli spettri reali dei quasar, hanno prodotto un quadro di distribuzioni di densità che ci danno un primo sguardo a BAO precedentemente nascosti, di questa regione>.                                                                      <Non c'è altro modo credibile -ha detto Schlegel- che avremmo potuto misurato BAO con spostamenti verso il rosso di due o più. Cinque anni fa era rischioso, ma era l'unica proposta esistente anche se avremmo potuto fallire in molti modi>.                                                                                                                                                                                                            "Stiamo assistendo-ha detto White- dietro alla questione dell’universo dominato, quando dopo l'espansione c’è stata  la decelerazione mentre l'energia oscura era difficile da vedere. Il passaggio dalla decelerazione di espansione all’accelerazione dell'espansione era forte, e ora viviamo in un universo dominato da energia oscura. Il più grande puzzle in cosmologia è questo: perché adesso? BOSS riuscirà ad essere illuminante quanto raccoglierà più di un milione e mezzo di galassie e più di 160.000 quasar, in quel momento SDSS-III fornirà un indagine completa.                     Nel frattempo, la foresta Lyman-alfa ha aperto una nuova visione dell' antico universo, che può giungere a buon fine e completarsi con le più potenti future indagini, proposte da un nuovo Boss..                                               

 

 

Fonte: Paul Preuss, Lawrence Berkeley National Laboratory

 

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Published by giuseppebenanti.over-blog.com - dans astronomia
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