Un nuovo test per misurare la costante di Hubble ha dato un risultato ancora diverso, aumentando lo sconcerto dei fisici

Le nuove misurazioni cosmologiche del tasso di espansione dell'universo stanno sempre di più confondendo le idee agli scienziati

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il modello cosmologico del Big Bang e l'espansione accelerata dell'universo

I progressi nell’osservazione astronomica nel secolo scorso hanno permesso agli scienziati di costruire un modello straordinariamente efficace di come funziona il cosmo. Ha senso: meglio possiamo misurare qualcosa, più impariamo.

Ma quando si tratta della velocità con cui il nostro Universo si sta espandendo, le nuove misurazioni cosmologiche stanno sempre di più confondendo le idee agli scienziati.

Dagli anni ’20 del secolo scorso sappiamo che l’Universo si sta espandendo: più una galassia è distante, più velocemente si allontana da noi. In effetti, negli anni ’90, il tasso di espansione risultò addirittura accelerato.

L’attuale tasso di espansione è descritto da qualcosa chiamato “Costante di Hubble” – un parametro cosmologico fondamentale.

Fino a poco tempo fa sembrava che si stesse convergendo verso un valore universalmente accettato per la costante di Hubble, ma poi, è emersa una misteriosa discrepanza tra i valori misurati usando tecniche diverse.

Ora un nuovo studio, pubblicato su Science, presenta un metodo che può aiutare a risolvere il mistero.

Il problema con precisione

La costante di Hubble può essere stimata combinando le misurazioni delle distanze da altre galassie con la velocità con cui si stanno allontanando da noi.

Alla fine del secolo scorso, gli scienziati concordavano che il valore era di circa 70 chilometri al secondo per megaparsec – un megaparsec è poco più di 3 milioni di anni luce. Ma negli ultimi anni, nuove misurazioni hanno dimostrato che questa potrebbe non essere una risposta definitiva.

Se stimiamo la costante di Hubble usando le osservazioni dell’Universo locale odierno, otteniamo un valore di 73. Ma possiamo anche usare le osservazioni del bagliore del Big Bang – lo “sfondo cosmico a microonde” – per stimare la costante di Hubble.

Ma questa misurazione “iniziale” dell’Universo dà circa 67, un valore inferiore.

È preoccupante che entrambe le misurazioni siano sufficientemente precise da rappresentare una sorta di problema. Gli astronomi eufemisticamente si riferiscono a questo come “tensione” nell’esatto valore della costante di Hubble.

La tensione potrebbe indicare un problema sistematico sconosciuto con una o entrambe le misurazioni o, in alternativa, la discrepanza potrebbe significare che c’è qualcosa nella fisica di cui ancora non sappiamo nulla.

Anche se finora ha avuto molto successo, forse il nostro modello cosmologico è sbagliato, o almeno incompleto.

L'espansione dell'universo.  (NASA / WMAP)L’espansione dell’universo. (NASA / WMAP)

Lontano contro locale

Per trovare una soluzione definitiva alla discrepanza abbiamo bisogno di un migliore collegamento della scala della distanza tra l’Universo molto locale e molto distante.

Il nuovo documento presenta un approccio pulito a questa sfida. Molte stime del tasso di espansione si basano sulla misurazione accurata delle distanze dagli oggetti. Ma questo è davvero difficile da fare: non possiamo stendere un metro a nastro in tutto l’Universo.

Un approccio comune è quello di usare le supernova “Tipo 1a” (stelle esplosive). Si tratta di oggetti incredibilmente luminosi, che possiamo vedere chiaramente anche a grande distanza. Siccome sappiamo (o crediamo di sapere) quanto dovrebbero essere luminose, possiamo calcolare la loro distanza confrontando la loro luminosità apparente con la loro luminosità nota.

Per derivare la costante di Hubble dalle osservazioni delle supernovae, è necessario effettuare una calibrazione estremamente accurata della loro distanza assoluta perché c’è ancora un’incertezza piuttosto grande sulla loro luminosità totale.

Attualmente, come “ancore” per questi indicatori di distanza vengono utilizzate stelle molto vicine (e quindi molto precise), come le stelle variabili Cefeidi, che si illuminano e si attenuano periodicamente.

Se avessimo ancore di distanza assolute più lontane nel cosmo, le distanze della supernovae potrebbero essere calibrate in modo più accurato su un più ampio intervallo cosmico.

Ancoraggi remoti

Il nuovo lavoro ha cercato di farlo sfruttando un fenomeno chiamato lente gravitazionale.

Osservando come la luce proveniente da una sorgente di sfondo (come una galassia) si piega a causa della gravità di un oggetto enorme di fronte ad esso, possiamo capire le proprietà di dell’oggetto in primo piano.

Una galassia a grappolo (al centro della scatola) ha diviso la luce da una supernova di sfondo che esplode in quattro punti gialli.  (NASA / Hubble)Una galassia (nel box centrale) divide la luce da una supernova che esplode sullo sfondo in quattro immagini separate indicate dai quattro punti gialli. (NASA / Hubble)

Il team ha studiato due galassie che riflettono la luce di altre due galassie di fondo. La distorsione è così forte che più immagini di ciascuna galassia di sfondo sono proiettate attorno alle galassie che fingono da deflettori in primo piano (come nell’immagine sopra).

I componenti della luce che compongono ciascuna di quelle immagini avranno percorso distanze leggermente diverse nel loro viaggio verso la Terra mentre la luce si piega attorno al deflettore di primo piano. Ciò provoca un ritardo nel tempo di arrivo della luce sull’immagine dell’obiettivo.

Se la sorgente di sfondo ha una luminosità abbastanza costante, non possiamo notare questo ritardo. Ma quando la sorgente varia in luminosità, possiamo misurare la differenza nel tempo di arrivo della luce. Questo lavoro fa esattamente questo.

Il ritardo temporale nell’immagine dell’obiettivo è correlato alla massa della galassia in primo piano che devia la luce e alle sue dimensioni fisiche. Quindi quando combinando il ritardo misurato con la massa della galassia deflettrice (che conosciamo) otteniamo una misura accurata della sua dimensione fisica.

Possiamo quindi confrontare la dimensione apparente della galassia con la dimensione fisica per determinare la distanza, perché un oggetto di dimensione fissa apparirà più piccolo quando è lontano.

Gli autori presentano distanze assolute di 810 e 1230 megaparsec per le due galassie devianti, con un margine di errore del 10-20 percento circa.

Trattando queste misurazioni come ancore di distanza assolute, gli autori continuano a rianalizzare la calibrazione della distanza di 740 supernovae da un set di dati ben consolidato utilizzato per determinare la costante di Hubble. La risposta ottenuta è stata di poco più di 82 chilometri al secondo per megaparsec.

Questo è un valore abbastanza alto rispetto alle misurazioni precedenti. Il punto chiave è che con solo due ancore per determinare la distanza, l’incertezza in questo valore è ancora piuttosto grande. È importante sottolineare, tuttavia, che è statisticamente coerente con il valore misurato dall’universo locale.

L’incertezza sarà ridotta cercando – e misurando – le distanze da altre galassie fortemente cristallizzate e che variano nel tempo. Sono rare, ma i prossimi progetti come il Large Synoptic Survey Telescope dovrebbero essere in grado di rilevare molti di questi sistemi, suscitando la speranza di riuscire ad ottenere valori affidabili.

Il risultato fornisce un altro pezzo del puzzle. Ma è necessario altro lavoro: non spiega ancora perché il valore derivato dallo sfondo delle microonde cosmiche sia così basso. Quindi il mistero rimane, ma speriamo non per troppo tempo.La conversazione

James Geach , Professore di astrofisica e Royal Society University Research Fellow, University of Hertfordshire .

Questo articolo è stato pubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.