Un autovelox per l’universo

C’è una tensione importante e irrisolta in cosmologia riguardo alla velocità con cui l’universo si sta espandendo, e risolverla potrebbe rivelare una nuova fisica. Gli astronomi cercano costantemente nuovi modi per misurare questa espansione nel caso in cui possano esserci errori sconosciuti nei dati provenienti da marcatori convenzionali come le supernovae. Recentemente, alcuni ricercatori, tra cui quelli dell’Università di Tokyo, hanno misurato l’espansione dell’universo utilizzando nuove tecniche e nuovi dati provenienti dai telescopi più recenti. Il loro metodo sfrutta il modo in cui la luce proveniente da oggetti estremamente distanti segue più percorsi per arrivare a noi. Le differenze in questi percorsi aiutano a migliorare i modelli su ciò che accade su scala cosmologica più ampia, inclusa l’espansione.

Le stelle (o meglio le galassie) dello spettacolo. Un montaggio di otto sistemi di lenti gravitazionali con ritardo temporale. C’è un’intera galassia al centro di ogni immagine, e i punti luminosi negli anelli attorno ad essi sono immagini di quasar dietro la galassia, ottenute con la lente gravitazionale. Queste immagini sono in falsi colori e sono composte di dati provenienti da diversi telescopi e strumenti. Credito immagine: collaborazione TDCOSMO et al. CC-BY-ND

L’universo è grande e sta diventando sempre più grande. Quanto è grande? Non lo sappiamo davvero. Ma sappiamo quanto velocemente si sta espandendo. Non è una questione semplice, però, poiché l’espansione appare più rapida quanto più si osserva la distanza. Per ogni 3,3 milioni di anni luce (o un megaparsec) di distanza da noi, vediamo cose a quella distanza scappare da noi a multipli crescenti di circa 73 chilometri al secondo. In altre parole, il tasso di espansione dell’universo è di 73 chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc), noto anche come costante di Hubble.

Esistono diversi modi per accertare la costante di Hubble, ma fino ad ora tutti si sono affidati alle cosiddette scale di distanza. Si tratta di cose come supernovae o stelle speciali chiamate stelle variabili Cefeidi, entrambe ritenute sufficientemente conosciute da far sì che la loro presenza anche in altre galassie dovrebbe permetterci misurazioni accurate su di esse, comprese le loro distanze. Osservandone abbastanza nel corso dei decenni, la costante di Hubble è stata sempre più limitata. Ma c’è sempre stato un certo grado di dubbio su questo metodo, quindi i cosmologi accolgono con favore i miglioramenti. Nel loro ultimo articolo, un team di astronomi, tra cui il professore assistente di progetto Kenneth Wong e il ricercatore post-dottorato Eric Paic del Centro di ricerca per l’universo primordiale dell’Università di Tokyo, ha dimostrato con successo un metodo noto come cosmografia a ritardo temporale che, secondo loro, può mitigare la dipendenza dalle scale di distanza e dovrebbe avere derivazioni anche in altre aree della cosmologia.

“Per misurare la costante di Hubble utilizzando la cosmografia a ritardo temporale, è necessaria una galassia davvero massiccia che possa fungere da lente”, ha affermato Wong. “La gravità di questa ‘lente’ devia la luce dagli oggetti che si nascondono dietro di essa, quindi ne vediamo una versione distorta. Questo si chiama lente gravitazionale. Se le circostanze sono giuste, vedremo effettivamente più immagini distorte, e ognuna avrà preso un percorso leggermente diverso per arrivare a noi, impiegando tempi diversi. Cercando cambiamenti identici in queste immagini che sono leggermente sfasate, possiamo misurare la differenza di tempo che hanno impiegato per raggiungerci. Accoppiando questi dati con le stime sulla distribuzione di la massa della lente galattica che li distorce è ciò che ci consente di calcolare l’accelerazione degli oggetti distanti in modo più accurato. La costante di Hubble che misuriamo rientra ampiamente negli intervalli supportati da altri metodi di stima.

Potresti chiederti perché i ricercatori fanno così tanti sforzi solo per trovare un numero che già conoscono. Si tratta di qualcosa di fondamentale per comprendere la storia dell’universo, che al momento rimane irrisolta. Quel valore di 73 km/s/Mpc per la costante di Hubble è corretto sulla base delle osservazioni di oggetti vicini, ma ci sono altri modi per misurare il tasso di espansione cosmica che possono anche guardare dati provenienti da un lontano passato, in particolare la radiazione che permea l’universo derivante dal big bang, altrimenti nota come fondo cosmico a microonde (CMB). Quando i ricercatori utilizzano la CMB per calcolare la costante di Hubble, ottengono un valore inferiore di 67 km/s/Mpc. Questa discrepanza è chiamata tensione di Hubble, e il lavoro di Wong, Paic e dei loro collaboratori aiuta a chiarirne la natura, poiché c’è ancora qualche dubbio sul fatto che possa essere qualcosa di più che il risultato di un errore sperimentale.

“La nostra misurazione della costante di Hubble è più coerente con altre osservazioni attuali e meno coerente con le misurazioni dell’universo primordiale. Questa è la prova che la tensione di Hubble può effettivamente derivare dalla fisica reale e non solo da qualche fonte sconosciuta di errore nei vari metodi”, ha detto Wong. “La nostra misurazione è completamente indipendente da altri metodi, sia dell’universo primordiale che di quello tardo, quindi se ci sono incertezze sistematiche in questi metodi, non dovremmo esserne influenzati”.

“L’obiettivo principale di questo lavoro era migliorare la nostra metodologia, e ora dobbiamo aumentare la dimensione del campione per migliorare la precisione e risolvere in modo decisivo la tensione di Hubble”, ha affermato Paic. “In questo momento, la nostra precisione è di circa il 4,5% e per fissare davvero la costante di Hubble a un livello che confermerebbe definitivamente la tensione di Hubble, dobbiamo arrivare a una precisione di circa l’1-2%.”

Il team è fiducioso che tali miglioramenti in termini di precisione siano possibili. L’attuale studio ha utilizzato otto sistemi di lenti a ritardo temporale, ciascuno dei quali occlude un quasar distante (un buco nero supermassiccio che accumula gas e polvere, facendolo brillare intensamente) e nuovi dati provenienti dai più recenti telescopi spaziali e terrestri, incluso il James Webb Space Telescope. Il team intende aumentare la dimensione del campione, nonché migliorare varie altre misurazioni ed escludere eventuali errori sistematici non ancora spiegati.

“Una delle maggiori fonti di incertezza è il fatto che non sappiamo esattamente come è distribuita la massa nelle galassie lente. Di solito si presume che la massa segua un profilo semplice che sia coerente con le osservazioni, ma è difficile esserne sicuri, e questa incertezza può influenzare direttamente i valori che calcoliamo”, ha detto Wong. “La tensione di Hubble è importante, poiché potrebbe indicare una nuova era nella cosmologia che rivela una nuova fisica. Il nostro progetto è il risultato di una collaborazione decennale tra molteplici osservatori e ricercatori indipendenti, evidenziando l’importanza della collaborazione internazionale nella scienza.”

Fonte: Università di Tokio