La velocità con cui l’universo si sta espandendo, nota come costante di Hubble, è uno dei parametri fondamentali per comprendere l’evoluzione e il destino ultimo del cosmo. Tuttavia, una differenza persistente chiamata “Tensione di Hubble” viene individuato tra il valore della costante misurato con un’ampia gamma di indicatori di distanza indipendenti e il suo valore previsto dal bagliore residuo del big bang.
Le osservazioni combinate della NIRCam (Near-Infrared Camera) della NASA e della WFC3 (Wide Field Camera 3) di Hubble mostrano la galassia a spirale NGC 5584, che risiede a 72 milioni di anni luce dalla Terra. Tra le stelle luminose di NGC 5584 ci sono stelle pulsanti chiamate variabili Cefeidi e supernova di tipo Ia, una classe speciale di stelle esplosive. Gli astronomi utilizzano le variabili Cefeidi e le supernove di tipo Ia come indicatori di distanza affidabili per misurare il tasso di espansione dell’universo. Credito immagine: NASA, ESA, CSA e A. Riess (STScI).
Il telescopio spaziale James Webb della NASA fornisce nuove capacità per esaminare e perfezionare alcune delle prove osservative più forti di questa tensione. Il premio Nobel Adam Riess della Johns Hopkins University e dello Space Telescope Science Institute presenta il recente lavoro suo e dei suoi colleghi utilizzando le osservazioni di Webb per migliorare la precisione delle misurazioni locali della costante di Hubble.
“Hai mai avuto difficoltà a vedere un segno ai margini del tuo campo visivo? Cosa dice? Cosa significa? Anche con i telescopi più potenti, i “segni” che gli astronomi vogliono leggere appaiono così piccoli che anche noi abbiamo difficoltà.
“Il segno che i cosmologi vogliono leggere è un segnale di limite di velocità cosmica che ci dice quanto velocemente l’universo si sta espandendo – un numero chiamato costante di Hubble. Il nostro segno è scritto nelle stelle di galassie lontane. La luminosità di alcune stelle in quelle galassie ci dice quanto sono lontane e quindi per quanto tempo questa luce ha viaggiato per raggiungerci, e la spostamenti verso il rosso delle galassie ci dicono quanto l’universo si è espanso in quel periodo, raccontandoci quindi l’espansione valutare.
Questo diagramma illustra la potenza combinata dei telescopi spaziali Hubble e Webb della NASA nel determinare distanze precise per una classe speciale di stelle variabili utilizzata per calibrare il tasso di espansione dell’universo. Queste stelle variabili Cefeidi si vedono in campi stellari affollati. La contaminazione della luce proveniente dalle stelle circostanti può misurare la luminosità di una Cefeide in modo meno preciso. La visione infrarossa più nitida di Webb consente di isolare più chiaramente un bersaglio Cefeide dalle stelle circostanti, come mostrato nella parte destra del diagramma. I dati Webb confermano l’accuratezza di 30 anni di osservazioni di Hubble sulle Cefeidi, fondamentali per stabilire il gradino più basso della scala delle distanze cosmiche per misurare il tasso di espansione dell’universo. A sinistra, NGC 5584 è visibile in un’immagine composita ottenuta dalla NIRCam (Near-Infrared Camera) di Webb e dalla Wide Field Camera 3 di Hubble. Crediti immagine: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI).
“Una particolare classe di stelle, le variabili Cefeidi, ci ha fornito le misurazioni più precise della distanza per oltre un secolo perché queste stelle sono straordinariamente luminose: sono stelle supergiganti, centomila volte la luminosità del Sole. Inoltre, pulsano (cioè si espandono e si contraggono in termini di dimensioni) per settimane, il che indica la loro luminosità relativa. Più lungo è il periodo, più sono intrinsecamente luminosi. Sono lo strumento gold standard per misurare le distanze delle galassie distanti cento milioni o più di anni luce, un passo cruciale per determinare la costante di Hubble. Sfortunatamente, le stelle nelle galassie sono affollate in un piccolo spazio dal nostro punto di osservazione distante, quindi spesso non abbiamo la risoluzione necessaria per separarle dalle loro vicine in linea di vista.
“Una delle principali giustificazioni per costruire il telescopio spaziale Hubble era risolvere questo problema. Prima del lancio di Hubble nel 1990 e delle successive misurazioni delle Cefeidi, il tasso di espansione dell’universo era così incerto che gli astronomi non erano sicuri se l’universo si fosse espanso per 10 o 20 miliardi di anni. Questo perché un tasso di espansione più rapido porterà a un’età più giovane dell’universo, mentre un tasso di espansione più lento porterà a un’età più avanzata dell’universo. Hubble ha una migliore risoluzione della lunghezza d’onda visibile rispetto a qualsiasi telescopio terrestre perché si trova al di sopra degli effetti di sfocatura dell’atmosfera terrestre. Di conseguenza, può identificare le singole variabili Cefeidi nelle galassie distanti più di cento milioni di anni luce e misurare l’intervallo di tempo durante il quale cambiano la loro luminosità.
“Tuttavia, dobbiamo anche osservare le Cefeidi nella parte del vicino infrarosso dello spettro per vedere la luce che passa indenne attraverso la polvere interposta. (La polvere assorbe e disperde la luce ottica blu, facendo sembrare deboli gli oggetti distanti e inducendoci a credere che siano più lontani di quanto non siano). Sfortunatamente, la visione a luce rossa di Hubble non è nitida come quella blu, quindi la luce delle stelle Cefeidi che vediamo lì si fonde con altre stelle nel suo campo visivo. Possiamo tenere conto della quantità media di miscelazione, statisticamente, nello stesso modo in cui un medico calcola il tuo peso sottraendo il peso medio dei vestiti dalla lettura della bilancia, ma così facendo aggiunge rumore alle misurazioni. I vestiti di alcune persone sono più pesanti di altri.
“Tuttavia, la nitida visione a infrarossi è uno dei superpoteri del James Webb Space Telescope. Con il suo grande specchio e l’ottica sensibile, può separare facilmente la luce delle Cefeidi dalle stelle vicine con poca fusione. Nel primo anno di attività di Webb con i nostri Osservatori Generali programma 1685, abbiamo raccolto osservazioni delle Cefeidi trovate da Hubble a due gradini lungo quella che è conosciuta come la scala della distanza cosmica. Il primo passo prevede l’osservazione delle Cefeidi in una galassia con una distanza geometrica nota che ci consente di calibrare la vera luminosità delle Cefeidi. Per il nostro programma quella galassia è NGC4258. Il secondo passo sarà osservare le Cefeidi nelle galassie ospiti recenti Supernovae di tipo Ia. La combinazione dei primi due passaggi trasferisce la conoscenza della distanza alle supernovae per calibrare la loro vera luminosità. Il terzo passo è osservare quelle supernove lontane dove l’espansione dell’universo è evidente e può essere misurata confrontando le distanze dedotte dalla loro luminosità e gli spostamenti verso il rosso delle galassie ospiti della supernova. Questa sequenza di passaggi è nota come scala della distanza.
“Recentemente abbiamo ottenuto le nostre prime misurazioni Webb dai passaggi uno e due che ci consentono di completare la scala delle distanze e confrontarle con le misurazioni precedenti con Hubble (vedi figura). Le misurazioni di Webb hanno ridotto drasticamente il rumore nelle misurazioni delle Cefeidi grazie alla risoluzione dell’osservatorio a lunghezze d’onda del vicino infrarosso. Questo tipo di miglioramento è ciò che gli astronomi sognano! Abbiamo osservato più di 320 Cefeidi nei primi due passaggi. Abbiamo confermato che le misurazioni precedenti del telescopio spaziale Hubble erano accurate, anche se più rumorose. Abbiamo osservato anche altre quattro supernove ospiti con Webb e osserviamo un risultato simile per l’intero campione.
Confronto delle relazioni periodo-luminosità delle Cefeidi utilizzate per misurare le distanze. I punti rossi provengono dal Webb della NASA, mentre i punti grigi provengono dall’Hubble della NASA. Il pannello superiore è per NGC 5584, la supernova ospite di tipo Ia, con il riquadro che mostra i timbri delle immagini della stessa Cefeide vista da ciascun telescopio. Il pannello inferiore è per NGC 4258, una galassia con una distanza geometrica nota, con il riquadro che mostra la differenza nei moduli di distanza tra NGC 5584 e NGC 4258 misurati con ciascun telescopio. I due telescopi sono in ottimo accordo. Credito immagine: NASA, ESA, A. Riess (STScI) e G. Anand (STScI).
“Ciò che i risultati ancora non spiegano è perché l’universo sembra espandersi così velocemente! Noi possiamo prevedere il tasso di espansione dell’universo osservando la sua immagine infantile, il sfondo cosmico a microonde, e poi utilizzando il nostro miglior modello di come cresce nel tempo per dirci quanto velocemente l’universo dovrebbe espandersi oggi. Il fatto che l’attuale misura del tasso di espansione superi significativamente la previsione è un problema ormai decennale “La tensione di Hubble”. La possibilità più entusiasmante è che la Tensione sia un indizio su qualcosa che ci manca nella nostra comprensione del cosmo.
“Potrebbe indicare la presenza di energia oscura esotica, materia oscura esotica, una revisione della nostra comprensione della gravità o la presenza di una particella o di un campo unico. La spiegazione più banale sarebbe che più errori di misurazione cospirassero nella stessa direzione (gli astronomi hanno escluso un singolo errore utilizzando passaggi indipendenti), ecco perché è così importante ripetere le misurazioni con maggiore fedeltà. Con Webb che conferma le misurazioni di Hubble, le misurazioni di Webb forniscono la prova più forte finora che gli errori sistematici nella fotometria delle Cefeidi di Hubble non svolgono un ruolo significativo nell’attuale tensione di Hubble. Di conseguenza, le possibilità più interessanti rimangono sul tavolo e il mistero della tensione si approfondisce.”
Fonte: Amministrazione nazionale per l’aeronautica e lo spazio
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
