Utilizzando due dei più potenti telescopi spaziali al mondo – Hubble della Nasa e Gaia dell’Esa – gli astronomi hanno effettuato le misurazioni più precise fino ad oggi del tasso di espansione dell’universo. Crediti: Nasa, Esa e A. Feild (STScI)
Quasi un secolo fa l’astronomo statunitense Edwin Hubble scoprì che l’universo si espandeva in modo uniforme in tutte le direzioni: una scoperta che diede origine alla cosmologia moderna e che richiese nuovi ragionamenti da parte di Einstein sulla sua costante cosmologica. Le galassie sembrano allontanarsi dalla Terra in modo proporzionale alla loro distanza, cioè più distanti sono, più velocemente si allontanano. Questa è una conseguenza dell’espansione dello spazio indicata da una costante, detta costante di Hubble, la cui misura permette agli astronomi di costruire un’immagine della nostra evoluzione cosmica e scoprire indizi sul destino finale del cosmo. Essendo necessaria per stimare l’età dell’universo, la costante di Hubble è uno fra i numeri più importanti in cosmologia. Ma i due principali metodi di misurazione di questo valore danno risultati incompatibili. E ora uno studio guidato dal premio Nobel Adam Riess, pubblicato ieri su The Astrophysical Journal, trova un valore più preciso che mai con uno di questi due metodi, rendendo ancora più netta la discrepanza fra i diversi risultati.
Il satellite Planck. Crediti: Esa
Partiamo dal primo metodo: estrapola il tasso di espansione attuale in modo indiretto, partendo dalle misure della radiazione cosmica di fondo a microonde (Cmb) ripercorrere l’evoluzione dell’universo poco dopo il big bang. Grazie alla Cmb, il satellite dell’Esa Planck ha mappato l’universo primordiale come appariva solo 360mila anni dopo il big bang. Planck ha misurato le dimensioni delle increspature in questa radiazione, prodotte da lievi irregolarità nell’evento del big bang. I dettagli fini di queste increspature indicano quanta materia oscura e materia normale ci sia, la traiettoria dell’universo in quel momento e altri parametri cosmologici.
L’altro metodo è diretto: costruisce una “scala di distanza” cosmica dalle misure delle stelle nel nostro universo locale. Per misurare le distanze tra le galassie vicine, si usa un particolare tipo di stella, le variabili Cefeidi, come metro cosmico o pietre miliari. Queste stelle pulsanti si illuminano e si attenuano a velocità corrispondenti alla loro luminosità intrinseca. Confrontando la loro luminosità intrinseca con la loro luminosità apparente vista dalla Terra, gli scienziati possono calcolare le loro distanze. «Quando usi le Cefeidi, hai bisogno sia della distanza che della luminosità», spiega Riess, a capo del team dello Space Telescope Science Institute. Ed è per questo metodo che l’alleanza fra i due telescopi Hubble e Gaia si è rivelata preziosa: Hubble ha fornito le informazioni sulla luminosità, e Gaia ha fornito le informazioni sulla parallasse necessarie per determinare con precisione le distanze. Consentendo così agli astronomi di calibrare più accuratamente le Cefeidi, e quindi utilizzare quelle che si vedono al di fuori della Galassia come indicatori di distanza.
Il telescopio spaziale Hubble
Il tasso di espansione attuale, stando ai risultati ottenuti dal team di Riess, è di 73.5 chilometri al secondo per megaparsec. Ciò significa che per ogni 3.3 milioni di anni luce di distanza da noi di una galassia, essa sembra spostarsi 73.5 chilometri al secondo più velocemente. Tuttavia, i risultati di Planck (quelli ottenuti avvalendosi del primo metodo, dunque) prevedono che l’universo dovrebbe espandersi oggi a soli 67.0 chilometri al secondo per megaparsec. Dato che le misurazioni dei team sono diventate sempre più precise, il divario tra di loro ha continuato ad allargarsi e ora è circa quattro volte più grande della loro incertezza combinata. «Con l’aggiunta di questi nuovi dati di Gaia e del telescopio spaziale Hubble, ora abbiamo una seria tensione con i dati della radiazione di fondo cosmico a microonde», afferma George Efstathiou, membro del team Planck non coinvolto nel lavoro di Riess e colleghi.
«La tensione sembra essere diventata un’incompatibilità completa tra i nostri punti di vista sull’universo delle origini e odierno. A questo punto, chiaramente non è un semplice errore grossolano in una qualsiasi misura. È come se avessi previsto quanto sarebbe stato alto un bambino da una tabella di crescita e poi lo avessi trovato superare di molto la previsione da adulto. Siamo molto perplessi», commenta Riess.
Il satellite Gaia. Crediti: Esa/Atg medialab, Eso/S. Brunier
Dal 2005, Riess e i membri del team Shoes (Supernova H0 for the Equation of State) hanno misurato il tasso di espansione dell’universo con un’accuratezza sempre maggiore. Ora, con il potere combinato di Hubble e Gaia, hanno ridotto l’incertezza a solo il 2.2 per cento, e l’obiettivo è di lavorare con Gaia per raffinare la costante di Hubble a un’incertezza di appena l’uno per cento nei primi anni del 2020. La discrepanza rilevata coi dati di Planck implica che potrebbe esserci una nuova fisica alle fondamenta dell’universo. Le possibilità includono la forza di interazione della materia oscura, un’energia oscura ancora più esotica di quanto si pensasse in precedenza o una nuova particella sconosciuta nell’arazzo dello spazio.
«Hubble è davvero straordinario come osservatorio generale, ma Gaia è il nuovo riferimento per la calibrazione della distanza. È costruito appositamente per misurare la parallasse – è stato progettato per fare ciò. Gaia offre una nuova capacità di ricalibrare tutte le misure di distanza passate e sembra confermare il nostro lavoro precedente. Otteniamo la stessa risposta per la costante di Hubble se sostituiamo tutte le precedenti calibrazioni della scala di distanza con solo le parallassi di Gaia. È un incrocio tra due osservatori molto potenti e precisi», conclude Stefano Casertano dello Space Telescope Science Institute e membro del team Shoes.
Per saperne di più:
- Leggi su The Astrophysical Journal l’articolo “Milky Way Cepheid Standards for Measuring Cosmic Distances and Application to Gaia DR2: Implications for the Hubble Constant” di Adam G. Riess et al.