La storia dell'Universo raccontata dagli ammassi di Euclid

Forte il potenziale degli ammassi di galassie di Euclid nel porre vincoli all'evoluzione dell'Universo. Questo il risultato dello studio di un team internazionale che ha analizzato il ruolo degli ammassi nell'ambito del progetto del satellite Euclid dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA). Lo scopo principale di Euclid, il cui lancio e' previsto nel 2020, e' quello di determinare la causa dell'espansione accelerata dell'Universo.

Cosa causa l'espansione accelerata dell'Universo? Rispondere a questo interrogativo e' uno degli scopi principali della cosmologia attuale. A tale fine e' in fase di preparazione il satellite Euclid dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), il cui lancio e' previsto nel 2020. Una recente ricerca, condotta da un team internazionale coordinato da B. Sartoris dell'Universita' di Trieste,  studia il ruolo che avranno gli ammassi di galassie in questo progetto. L'analisi effettuata ha evidenziato il forte potenziale degli ammassi di Euclid nel porre vincoli sulla storia dell'evoluzione dell'Universo.

Gli ammassi di galassie sono le piu' grandi strutture in equilibrio gravitazionale esistenti. Essendo oggetti relativamente rari, la loro densita' numerica dipende in modo esponenziale dai parametri cosmologici. Tale propriete' li rende degli strumenti unici per studiare la storia dell'evoluzione delle strutture cosmiche.

Lo studio condotto da Sartoris e i suoi collaboratori ha evidenziato che il satellite Euclid permettera' di identificare fotometricamente piu' di un milione di ammassi (vedi Figura 1), di cui circa mezzo milione a redshift maggiore di 1 e 2000 a redshift maggiore di 2 (corrispondente a una distanza di circa 50 miliardi di anni luce). Sara', dunque, possibile per la prima volta studiare le caratteristiche degli ammassi fino dalle prime  fasi della loro evoluzione su un campione statisticamente rilevante (centinaia di volte piu' grande dei campioni attualmente disponibili).

Figura 1 - Densita' numerica degli ammassi identificati dal satellite Euclid in funzione del redshift per due differenti valori della soglia di detezione.

Per usare gli ammassi in contesto cosmologico e' di primaria importanza poterne stimare la massa. Purtroppo questa grandezza non e' direttamente misurabile ed e' quindi necessario calibrare delle relazioni che  la leghino a delle quantita' osservabili. Lo studio condotto sottolinea che, date le caratteristiche del satellite Euclid, sara' possibile calibrare queste relazioni internamente, cioe' utilizzando dati dalla stessa missione, ed in modo coerente. Utilizzando come osservabili gli effetti di lente gravitazionale, il numero e la luminosita' totale delle galassie negli ammassi e la loro distribuzione di velocita', si potranno calibrare le relazioni  con la massa con un'ottima precisione (~10 %) fino a redshift ~1.5.

Data la grande quantita' di dati cosmologici disponibili in futuro, non sara' solamente possibile vincolare i parametri cosmologici del modello standard dell'evoluzione dell'Universo (LambdaCDM), ma anche identificare eventuali deviazioni da esso. L'espansione accelerata dell'Universo potrebbe infatti essere dovuta non a una qualche forma di energia oscura ma, ad esempio, ad una deviazione dalla teoria della relativita' generale a grandi scale (Figura 2).
Il lavoro di Sartoris e collaboratori sottolinea anche la possibilita' di utilizzare i dati relativi alla distribuzione di ammassi per stimare l'ampiezza delle fluttuazioni non gaussiane del campo primordiale di densita'.

Figura 2 - Vincoli sui parametri cosmologici che determinano la crescita delle strutture:
sigma_8 indica il tempo di formazione delle strutture (per valori di sigma_8 maggiori queste iniziano a formarsi prima) e gamma. Nel modello cosmologico standard, gamma=0.55; diversi valori di questo parametro indicano deviazioni dalla teoria di relativita' generale.

Questo lavoro a' stato pubblicato sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society nel 2016 (MNRAS, 459, 1764 - 2016, "Next generation cosmology: constraints from the Euclid galaxy cluster survey")  e, oltre a B. Sartoris, ha visto tra gli altri la collaborazione degli astrofisici triestini A. Biviano e S. Borgani. I risultati dello studio condotto saranno centrali nella preparazione e nell'ottimizzazione della survey di ammassi Euclid e occuperanno un ruolo centrale nella procedura di analisi dei dati che diventeranno disponibili a partire dal 2021.