Due volte al giorno, sette giorni alla settimana, da febbraio a novembre negli ultimi quattro anni, due ricercatori si sono messi a strati con biancheria intima e capispalla termici, con pile, flanella, doppi guanti, doppi calzini, tuta imbottita e parka gonfie rosse, mummificandosi finché non sembrano gemelli Michelin. Poi escono, scambiando il calore e le comodità moderne di una stazione scientifica (calcio balilla, centro fitness, caffetteria aperta 24 ore su 24) per un paesaggio privo di caratteristiche di Fahrenheit a meno 100 gradi, più piatto del Kansas e uno dei luoghi più freddi del pianeta. Si trascinano nell'oscurità a quasi un miglio, attraverso un altopiano di neve e ghiaccio, fino a quando non discernono, sullo sfondo di più stelle di qualsiasi osservatore del cortile in mano che abbia mai visto, la sagoma del gigantesco disco del telescopio del Polo Sud, dove si uniscono a uno sforzo globale per risolvere forse il più grande indovinello dell'universo: di cosa è fatta la maggior parte.
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- Le rimanenti fotografie di The South Pole Voyage
Per migliaia di anni la nostra specie ha studiato il cielo notturno e si chiedeva se c'è qualcos'altro là fuori. L'anno scorso abbiamo celebrato il 400 ° anniversario della risposta di Galileo: Sì. Galileo addestrò un nuovo strumento, il telescopio, sui cieli e vide oggetti che nessun altro aveva mai visto: centinaia di stelle, montagne sulla Luna, satelliti di Giove. Da allora abbiamo trovato più di 400 pianeti attorno ad altre stelle, 100 miliardi di stelle nella nostra galassia, centinaia di miliardi di galassie oltre la nostra, persino la debole radiazione che è l'eco del Big Bang.
Ora gli scienziati pensano che anche questo stravagante censimento dell'universo potrebbe essere obsoleto come il cosmo a cinque pianeti che Galileo ha ereditato dagli antichi. Gli astronomi hanno raccolto prove che ciò che abbiamo sempre pensato come l'universo reale - io, tu, questa rivista, pianeti, stelle, galassie, tutta la materia nello spazio - rappresenta solo il 4% di ciò che è realmente là fuori. Il resto lo chiamano, per mancanza di una parola migliore, buio: il 23 percento è qualcosa che chiamano materia oscura e il 73 percento è qualcosa di ancora più misterioso, che chiamano energia oscura.
"Abbiamo un inventario completo dell'universo", ha detto Sean Carroll, un cosmologo del California Institute of Technology, "e non ha senso".
Gli scienziati hanno qualche idea su quale potrebbe essere la materia oscura - particelle esotiche e ancora ipotetiche - ma non hanno la minima idea di energia oscura. Nel 2003, il Consiglio Nazionale delle Ricerche ha elencato "Qual è la natura dell'energia oscura?" Come uno dei problemi scientifici più urgenti dei prossimi decenni. Il capo del comitato che ha scritto il rapporto, il cosmologo dell'Università di Chicago Michael S. Turner, va oltre e classifica l'energia oscura come "il mistero più profondo di tutta la scienza".
Lo sforzo di risolverlo ha mobilitato una generazione di astronomi in un ripensamento della fisica e della cosmologia per competere e forse superare la rivoluzione inaugurata da Galileo in una sera d'autunno a Padova. Stanno arrivando a patti con una profonda ironia: è la vista stessa che ci ha accecato in quasi tutto l'universo. E il riconoscimento di questa cecità, a sua volta, ci ha ispirato a chiederci, come per la prima volta: che cos'è questo cosmo che chiamiamo casa?
Gli scienziati hanno raggiunto un consenso negli anni '70 sul fatto che nell'universo ci fosse più di quello che sembra. Nelle simulazioni al computer della nostra galassia, la Via Lattea, i teorici hanno scoperto che il centro non avrebbe resistito: in base a ciò che possiamo vedere, la nostra galassia non ha abbastanza massa per mantenere tutto al suo posto. Mentre ruota, dovrebbe disintegrarsi, spargendo stelle e gas in ogni direzione. O una galassia a spirale come la Via Lattea viola le leggi della gravità, o la luce che emana da essa - dalle vaste nuvole luminose di gas e dalla miriade di stelle - è un'indicazione imprecisa della massa della galassia.
E se una parte della massa di una galassia non irradiasse luce? Se le galassie a spirale contenessero abbastanza di tale massa misteriosa, potrebbero obbedire alle leggi di gravità. Gli astronomi hanno soprannominato la massa invisibile "materia oscura".
"Nessuno ci ha mai detto che tutta la materia si irradiava", ha detto Vera Rubin, un astronomo le cui osservazioni sulle rotazioni della galassia hanno fornito prove della materia oscura. "Abbiamo appena pensato che lo facesse."
Lo sforzo di comprendere la materia oscura ha definito gran parte dell'astronomia per i prossimi due decenni. Gli astronomi potrebbero non sapere cos'è la materia oscura, ma inferendo la sua presenza ha permesso loro di perseguire in modo nuovo una domanda eterna: qual è il destino dell'universo?
Sapevano già che l'universo si sta espandendo. Nel 1929, l'astronomo Edwin Hubble aveva scoperto che galassie lontane si stavano allontanando da noi e che più si allontanavano, più velocemente sembravano allontanarsi.
Questa è stata un'idea radicale. Invece della maestosa, eternamente immutabile natura morta che un tempo sembrava essere l'universo, in realtà era viva nel tempo, come un film. Riavvolgi il film dell'espansione e l'universo alla fine raggiungerebbe uno stato di densità ed energia infinite - quello che gli astronomi chiamano Big Bang. E se colpissi l'avanzamento veloce? Come sarebbe finita la storia?
L'universo è pieno di materia e la materia attira altra materia attraverso la gravità. Gli astronomi hanno affermato che l'attrazione reciproca tra tutta quella materia deve rallentare l'espansione dell'universo. Ma non sapevano quale sarebbe stato il risultato finale. L'effetto gravitazionale sarebbe così forte che alla fine l'universo allungherebbe una certa distanza, si fermerebbe e si inverterebbe, come una palla lanciata in aria? O sarebbe così leggero che l'universo sfuggirebbe alla sua presa e non smetterebbe mai di espandersi, come un razzo che lascia l'atmosfera terrestre? O vivevamo in un universo squisitamente equilibrato, in cui la gravità assicura un tasso di espansione di Goldilocks né troppo veloce né troppo lento, quindi l'universo alla fine si fermerebbe in modo virtuale?
Supponendo l'esistenza della materia oscura e che la legge di gravitazione è universale, due squadre di astrofisici - una guidata da Saul Perlmutter, al Lawrence Berkeley National Laboratory, l'altra da Brian Schmidt, all'Australian National University - hanno deciso di determinare il futuro dell'universo. Durante gli anni '90 le squadre rivali hanno analizzato da vicino una serie di stelle esplosive, o supernova, usando quegli oggetti insolitamente luminosi e di breve durata per misurare la crescita dell'universo. Sapevano quanto sarebbero brillanti le supernova in diversi punti dell'universo se il tasso di espansione fosse uniforme. Confrontando la luminosità delle supernove, gli astronomi hanno capito che potevano determinare quanto rallentasse l'espansione dell'universo. Ma con sorpresa degli astronomi, quando guardarono a metà dell'universo, a sei o sette miliardi di anni luce di distanza, scoprirono che le supernova non erano più luminose - e quindi più vicine - del previsto. Erano più deboli, cioè più distanti. Entrambi i team hanno concluso che l'espansione dell'universo non sta rallentando. Sta accelerando.
L'implicazione di quella scoperta fu importante: significava che la forza dominante nell'evoluzione dell'universo non è la gravità. È ... qualcos'altro. Entrambe le squadre hanno annunciato le loro scoperte nel 1998. Turner ha dato al "qualcosa" un soprannome: energia oscura. Bloccato. Da allora, gli astronomi hanno perseguito il mistero dell'energia oscura fino ai confini della Terra, letteralmente.
"Il Polo Sud ha l'ambiente più duro della Terra, ma anche il più benevolo", afferma William Holzapfel, un'astrofisica dell'Università della California a Berkeley, che era il ricercatore principale sul sito presso il South Pole Telescope (SPT).
Non si riferiva al tempo, anche se nella settimana tra Natale e Capodanno - all'inizio dell'estate nell'emisfero australe - il sole splendeva tutto il giorno, le temperature erano a malapena nelle meno singole cifre (e un giorno addirittura ha rotto a zero ) e il vento era per lo più calmo. Holzapfel si diresse dalla stazione South Pole Amundsen-Scott della National Science Foundation (a pochi passi dal tradizionale sito dell'asta stessa, che è contrassegnato con, sì, un'asta) al telescopio indossando jeans e scarpe da corsa. Un pomeriggio l'edificio del laboratorio del telescopio divenne così caldo che l'equipaggio aprì una porta.
Ma dal punto di vista di un astronomo, non fino a quando il Sole tramonta e rimane basso, da marzo a settembre, il Polo Sud diventa "benigno".
"Sono sei mesi di dati ininterrotti", afferma Holzapfel. Durante l'oscurità di 24 ore dell'autunno e dell'inverno australi, il telescopio funziona senza sosta in condizioni impeccabili per l'astronomia. L'atmosfera è sottile (il palo si trova a oltre 9.300 piedi sul livello del mare, di cui 9.000 sono di ghiaccio). L'atmosfera è anche stabile, a causa dell'assenza degli effetti di riscaldamento e raffreddamento di un sole che sorge e tramonta; il polo ha alcuni dei venti più tranquilli sulla Terra e quasi sempre soffiano dalla stessa direzione.
Forse più importante per il telescopio, l'aria è eccezionalmente secca; tecnicamente, l'Antartide è un deserto. (Le mani screpolate possono richiedere settimane per guarire e il sudore non è in realtà un problema di igiene, quindi la restrizione a due docce a settimana per conservare l'acqua non è un grosso problema. Come un veterano del polo mi ha detto: "Nel momento in cui vai di ritorno alla dogana di Christchurch [Nuova Zelanda], ecco quando avrai bisogno di una doccia. ”) L'SPT rileva le microonde, una parte dello spettro elettromagnetico particolarmente sensibile al vapore acqueo. L'aria umida può assorbire le microonde e impedire loro di raggiungere il telescopio e l'umidità emette la propria radiazione, che potrebbe essere interpretata male come segnali cosmici.
Per minimizzare questi problemi, gli astronomi che analizzano le microonde e le onde submillimetriche hanno reso il Polo Sud una seconda casa. I loro strumenti risiedono nel Settore Oscuro, un gruppo ristretto di edifici in cui la luce e altre fonti di radiazione elettromagnetica sono ridotte al minimo. (Nelle vicinanze si trovano il settore Quiet, per la ricerca sulla sismologia, e il settore Clean Air, per i progetti sul clima.)
Agli astronomi piace dire che per condizioni di osservazione più incontaminate, dovrebbero andare nello spazio - una proposta esponenzialmente più costosa e una che la NASA in genere non ama perseguire a meno che la scienza non possa essere facilmente eseguita sulla Terra. (Un satellite ad energia oscura è stato acceso e spento dal tavolo da disegno dal 1999, e l'anno scorso è tornato "al punto di partenza", secondo un consulente della NASA.) Almeno sulla Terra, se qualcosa va storto con uno strumento, non Non è necessario comandare una navetta spaziale per risolverlo.
Gli Stati Uniti hanno mantenuto una presenza per tutto l'anno al polo dal 1956, e ormai il programma antartico americano della National Science Foundation ha ottenuto la vita lì fino a, beh, una scienza. Fino al 2008, la stazione era ospitata in una cupola geodetica la cui corona è ancora visibile sopra la neve. La nuova stazione base ricorda una piccola nave da crociera più che un avamposto remoto e può ospitare oltre 150 persone, tutte in alloggi privati. Attraverso gli oblò che fiancheggiano i due piani, puoi contemplare un orizzonte ipnoticamente livellato come qualsiasi altro oceano. La nuova stazione poggia su ascensori che, quando la neve si accumula, gli permettono di sollevare due piani completi.
Le nevicate in questa regione ultra-arida possono essere minime, ma ciò che soffia dai bordi del continente può ancora creare confusione, creando uno dei compiti più banali per l'equipaggio invernale dell'SPT. Una volta alla settimana durante i mesi bui, quando la popolazione della stazione si riduce a circa 50, i due ricercatori SPT sul posto devono arrampicarsi sulla parabola del microonde da 33 piedi di larghezza del telescopio e pulirla. Il telescopio raccoglie i dati e li invia ai desktop di ricercatori lontani. I due "inverni" trascorrono le loro giornate lavorando anche sui dati, analizzandoli come se fossero a casa. Ma quando il telescopio colpisce un problema tecnico e suona un allarme sui loro laptop, devono capire qual è il problema: in fretta.
"Un'ora di inattività sono migliaia di dollari di tempo di osservazione perduto", afferma Keith Vanderlinde, uno dei due periodi invernali del 2008. “Ci sono sempre piccole cose. Un ventilatore si romperà perché è così asciutto laggiù, tutta la lubrificazione scompare. E poi il computer si surriscalda e si spegne da solo, e improvvisamente siamo a terra e non abbiamo idea del perché. ”A quel punto, l'ambiente potrebbe non sembrare così“ benigno ”dopo tutto. Nessun volo da o per il Polo Sud va da marzo a ottobre (l'olio motore di un aereo gelatinizzerebbe), quindi se gli inverni non riescono a riparare tutto ciò che è rotto, rimane rotto - cosa non ancora avvenuta.
Più della maggior parte delle scienze, l'astronomia dipende dal senso della vista; prima che gli astronomi possano reimmaginare l'universo nel suo insieme, devono prima capire come percepire le parti oscure. Sapere cos'è la materia oscura aiuterebbe gli scienziati a pensare a come si forma la struttura dell'universo. Sapere cosa fa l'energia oscura aiuterebbe gli scienziati a pensare a come quella struttura si è evoluta nel tempo e come continuerà ad evolversi.
Gli scienziati hanno un paio di candidati per la composizione della materia oscura: particelle ipotetiche chiamate neutrini e assioni. Per l'energia oscura, tuttavia, la sfida è capire non com'è ma com'è. In particolare, gli astronomi vogliono sapere se l'energia oscura cambia nello spazio e nel tempo o se è costante. Un modo per studiarlo è misurare le cosiddette oscillazioni acustiche barioniche. Quando l'universo era ancora agli inizi, appena 379.000 anni, si raffreddava sufficientemente perché i barioni (particelle costituite da protoni e neutroni) si separassero dai fotoni (pacchetti di luce). Questa separazione ha lasciato un'impronta, chiamata sfondo cosmico a microonde, che può ancora essere rilevata oggi. Include le onde sonore ("oscillazioni acustiche") che scorrevano nell'universo infantile. I picchi di tali oscillazioni rappresentano regioni leggermente più dense rispetto al resto dell'universo. E poiché la materia attira la materia attraverso la gravità, quelle regioni sono diventate ancora più dense con l'invecchiamento dell'universo, fondendosi prima in galassie e poi in ammassi di galassie. Se gli astronomi confrontano le oscillazioni cosmiche originali dello sfondo a microonde con la distribuzione delle galassie in diversi stadi della storia dell'universo, possono misurare il tasso di espansione dell'universo.
Un altro approccio alla definizione di energia oscura prevede un metodo chiamato lente gravitazionale. Secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein, un raggio di luce che viaggia attraverso lo spazio sembra piegarsi a causa dell'attrazione gravitazionale della materia. (In realtà, è lo spazio stesso che si piega e la luce va avanti per la corsa.) Se due gruppi di galassie giacciono lungo una singola linea di vista, il cluster in primo piano fungerà da lente che distorce la luce proveniente dal cluster di sfondo. Questa distorsione può dire agli astronomi la massa del cluster in primo piano. Campionando milioni di galassie in diverse parti dell'universo, gli astronomi dovrebbero essere in grado di stimare la velocità con cui le galassie si sono ammassate nel tempo e tale frequenza a sua volta dirà loro quanto velocemente l'universo si è espanso in diversi punti della sua storia.
Il South Pole Telescope utilizza una terza tecnica, chiamata effetto Sunyaev-Zel'dovich, chiamata per due fisici sovietici, che si basa sullo sfondo cosmico a microonde. Se un fotone di quest'ultimo interagisce con il gas caldo in un ammasso, sperimenta un leggero aumento di energia. Rilevare questa energia consente agli astronomi di mappare quei cluster e misurare l'influenza dell'energia oscura sulla loro crescita attraverso la storia dell'universo. Questa, almeno, è la speranza. “Molte persone nella comunità hanno sviluppato quello che penso sia un sano scetticismo. Dicono: "È grandioso, ma mostraci i soldi" ", afferma Holzapfel. "E penso che entro un anno o due, saremo in grado di poterlo fare."
Il team SPT si concentra sugli ammassi di galassie perché sono le strutture più grandi dell'universo, spesso costituite da centinaia di galassie: sono un milione di miliardi di volte la massa del Sole. Mentre l'energia oscura spinge l'universo ad espandersi, i cluster di galassie avranno difficoltà a crescere. Diventeranno più distanti tra loro e l'universo diventerà più freddo e più solitario.
I cluster di galassie "sono una specie di canarini in una miniera di carbone in termini di formazione della struttura", afferma Holzapfel. Se la densità della materia oscura o le proprietà dell'energia oscura dovessero cambiare, l'abbondanza di ammassi "sarebbe la prima cosa da modificare". Il telescopio del Polo Sud dovrebbe essere in grado di rintracciare gli ammassi di galassie nel tempo. "Puoi dire: 'A così tanti miliardi di anni fa, quanti cluster c'erano e quanti ce ne sono adesso?", Afferma Holzapfel. "E poi confrontali con le tue previsioni."
Eppure tutti questi metodi hanno un avvertimento. Presumono che comprendiamo sufficientemente la gravità, che non è solo la forza che si oppone all'energia oscura, ma è stata la base stessa della fisica negli ultimi quattro secoli.
Venti volte al secondo, un laser alto nelle montagne del Sacramento del New Mexico punta un impulso di luce sulla Luna, a 239.000 miglia di distanza. Il bersaglio del raggio è uno dei tre riflettori delle dimensioni di una valigia che gli astronauti dell'Apollo hanno piantato sulla superficie lunare quattro decenni fa. I fotoni del raggio rimbalzano dallo specchio e ritornano nel New Mexico. Durata totale del viaggio di andata e ritorno: 2, 5 secondi, più o meno.
Quel "più o meno" fa la differenza. Sincronizzando il viaggio della velocità della luce, i ricercatori dell'Opache Point Observatory Lunar Laser-Range Operation (APOLLO) possono misurare la distanza Terra-Luna momento per momento e mappare l'orbita della Luna con una precisione squisita. Come nella storia apocrifa di Galileo che fa cadere le palle dalla Torre pendente di Pisa per testare l'universalità della caduta libera, APOLLO tratta la Terra e la Luna come due palle che cadono nel campo gravitazionale del Sole. Mario Livio, un astrofisico dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, lo definisce un "esperimento assolutamente incredibile". Se l'orbita della Luna mostra anche la minima deviazione dalle previsioni di Einstein, gli scienziati potrebbero dover ripensare le sue equazioni - e forse anche il esistenza di materia oscura e energia oscura.
"Finora, Einstein è in possesso", afferma uno degli osservatori principali di APOLLO, l'astronomo Russet McMillan, mentre il suo progetto quinquennale supera il punto a metà.
Anche se Einstein non fosse in possesso, i ricercatori dovrebbero prima eliminare altre possibilità, come un errore nella misura della massa della Terra, della Luna o del Sole, prima di ammettere che la relatività generale richiede un correttivo. Anche così, gli astronomi sanno che danno la gravità per scontata a loro rischio e pericolo. Hanno inferito l'esistenza della materia oscura a causa dei suoi effetti gravitazionali sulle galassie e l'esistenza dell'energia oscura a causa dei suoi effetti anti-gravitazionali sull'espansione dell'universo. E se il presupposto alla base di queste inferenze gemelle - che sappiamo come funziona la gravità - è sbagliato? Una teoria dell'universo può essere ancora più stravagante di una che sostiene la materia oscura e l'energia oscura per giustificare l'evidenza? Per scoprirlo, gli scienziati stanno testando la gravità non solo attraverso l'universo ma attraverso il piano del tavolo. Fino a poco tempo fa, i fisici non avevano misurato la gravità a distanze estremamente ravvicinate.
"Sorprendente, no?" Dice Eric Adelberger, coordinatore di numerosi esperimenti di gravità che si svolgono in un laboratorio dell'Università di Washington, Seattle. "Ma non sarebbe sorprendente se tu provassi a farlo", se provassi a testare la gravità a distanze inferiori a un millimetro. Testare la gravità non è semplicemente una questione di mettere due oggetti vicini l'uno all'altro e misurare l'attrazione tra di loro. Qualsiasi altra cosa può esercitare un'influenza gravitazionale.
"Qui c'è il metallo", dice Adelberger, indicando uno strumento vicino. "C'è una collina qui", che si dirige verso un certo punto oltre il muro di cemento che circonda il laboratorio. "C'è un lago laggiù." C'è anche il livello delle acque sotterranee nel terreno, che cambia ogni volta che piove. Poi c'è la rotazione della Terra, la posizione del Sole, la materia oscura nel cuore della nostra galassia.
Negli ultimi dieci anni, il team di Seattle ha misurato l'attrazione gravitazionale tra due oggetti a distanze sempre più piccole, fino a 56 micron (o 1/500 di pollice), solo per assicurarsi che le equazioni di Einstein per la gravità siano valide alle distanze più brevi, pure. Finora lo fanno.
Ma anche Einstein riconobbe che la sua teoria della relatività generale non spiegava del tutto l'universo. Ha trascorso gli ultimi 30 anni della sua vita cercando di conciliare la sua fisica del grandissimo con la fisica del piccolissimo - meccanica quantistica. Ha fallito.
I teorici hanno escogitato ogni sorta di possibilità nel tentativo di conciliare la relatività generale con la meccanica quantistica: universi paralleli, universi in collisione, universi a bolle, universi con dimensioni extra, universi che si riproducono eternamente, universi che rimbalzano dal Big Bang al Big Crunch al Big Scoppio.
Adam Riess, un astronomo che ha collaborato con Brian Schmidt alla scoperta dell'energia oscura, afferma di guardare ogni giorno un sito Internet (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) dove gli scienziati pubblicano le loro analisi per vedere quali sono le nuove idee là fuori. "La maggior parte di loro è piuttosto eccentrica", dice. "Ma è possibile che qualcuno verrà fuori con una teoria profonda."
Nonostante tutti i suoi progressi, l'astronomia risulta essere stata al lavoro in base a un'ipotesi errata, seppure ragionevole: ciò che vedi è ciò che ottieni. Ora gli astronomi devono adattarsi all'idea che l'universo non è roba nostra: nel grande schema delle cose, della nostra specie, del nostro pianeta e della nostra galassia e di tutto ciò che abbiamo mai visto, come fisico teorico Lawrence Krauss dell'Arizona State University ha detto "un po 'di inquinamento".
Eppure i cosmologi tendono a non scoraggiarsi. "I problemi davvero difficili sono grandi", afferma Michael Turner, "perché sappiamo che richiederanno una nuova folle idea". Come ha detto Andreas Albrecht, un cosmologo dell'Università della California a Davis, in una recente conferenza sull'energia oscura: "Se metti la cronologia della storia della scienza davanti a me e potessi scegliere qualsiasi momento e campo, questo è dove vorrei essere."
Richard Panek ha scritto di Einstein per Smithsonian nel 2005. Il suo libro sulla materia oscura e l'energia oscura apparirà nel 2011.
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