Illustrazione artistica di un disco di gas contenente acqua che orbita attorno al buco nero supermassiccio al centro di una galassia lontana. Osservando l’emissione di maser da tali dischi, gli astronomi possono usare la geometria per misurare la distanza dalle galassie, un requisito chiave per il calcolo della costante di Hubble. Crediti: Sophia Dagnello, Nrao/Aui/Nsf
Nuove misurazioni di distanza hanno permesso agli astronomi di affinare il calcolo della costante di Hubble, un valore importante per mettere alla prova il modello teorico che descrive la composizione e l’evoluzione dell’universo. Le nuove misure esasperano la discrepanza già nota tra i valori precedentemente ottenuti sperimentalmente per la costante di Hubble e il valore previsto dal modello, quando applicato alle misurazioni della radiazione cosmica di fondo a microonde effettuate dal satellite Planck.
«Abbiamo scoperto che le galassie sono più vicine di quanto previsto dal modello cosmologico standard, confermando un problema individuato in altri tipi di misurazioni della distanza. Si è discusso se questo problema risieda nel modello stesso o nelle misurazioni utilizzate per testarlo. Il nostro lavoro utilizza una tecnica di misurazione della distanza completamente indipendente da tutte le altre, e noi rafforziamo la discrepanza tra i valori misurati e quelli previsti. È probabile che il problema sia il modello cosmologico di base coinvolto nelle previsioni», sostiene James Braatz, del National Radio Astronomy Observatory (Nrao).
Braatz guida il Megamaser Cosmology Project, un progetto internazionale per misurare la costante di Hubble trovando galassie con proprietà specifiche che si prestano a fornire precise misure delle distanze geometriche. Il progetto ha utilizzato il Very Long Baseline Array (Vlba) della National Science Foundation, il Karl G. Jansky Very Large Array (Vla) e il Robert C. Byrd Green Bank Telescope (Gbt), insieme al telescopio Effelsberg in Germania. Il team ha riportato gli ultimi risultati su Astrophysical Journal Letters.
Edwin Hubble calcolò per primo il tasso di espansione dell’universo (la costante di Hubble) nel 1929, misurando le distanze dalle galassie e le loro velocità di recessione. Più è distante una galassia, maggiore è la sua velocità di recessione dalla Terra. Oggi, la costante di Hubble rimane una proprietà fondamentale della cosmologia osservativa e un focus di molti studi moderni.
La misurazione della velocità di recessione delle galassie è relativamente semplice. Determinare le distanze cosmiche, tuttavia, è stato per gli astronomi un compito difficile. Per gli oggetti nella nostra Galassia, le distanze possono essere ottenute misurando lo spostamento apparente nella posizione dell’oggetto quando visto da lati opposti dell’orbita terrestre attorno al Sole, un effetto chiamato parallasse. La prima misura del genere avvenne nel 1838.
Immagine nei raggi X del resto della Supernova 1572 (la Nova di Tycho), una supernova di tipo Ia osservata nel 1572 dall’astronomo danese Tycho Brahe. Crediti: Asa/Cxc/Rutgers/J. Warren, J.Hughes et al.)
Oltre la nostra galassia, le parallasse sono troppo piccole per essere misurate, quindi gli astronomi hanno fatto affidamento su oggetti chiamati candele standard, così chiamati perché si presume che la loro luminosità intrinseca sia nota. La distanza di un oggetto di luminosità nota può essere calcolata in base all’attenuazione riscontrata quando osservato dalla Terra. Queste candele standard includono una classe di stelle chiamate variabili Cefeidi e le supernova di tipo Ia.
Un altro metodo per stimare la velocità di espansione consiste nell’osservare quasar distanti la cui luce è piegata dall’effetto gravitazionale di una galassia in primo piano e si formano più immagini dell’oggetto stesso. Quando la luminosità della quasar varia, la modifica appare anche nelle diverse immagini, ma in momenti diversi. Misurando questa differenza di tempo, con calcoli della geometria della flessione della luce, si ottiene una stima della velocità di espansione.
Le determinazioni della costante di Hubble basate sulle candele standard e sui quasar con lente gravitazionale hanno prodotto valori di 73-74 chilometri al secondo per megaparsec. Tuttavia, le previsioni della costante di Hubble derivate dal modello cosmologico standard quando applicate alle misurazioni del fondo cosmico a microonde (Cmb) – la cosiddetta radiazione fossile del Big Bang – producono un valore di 67.4 chilometri al secondo per megaparsec: una differenza significativa e preoccupante. Questa differenza – che secondo gli astronomi va oltre gli errori sperimentali nelle osservazioni – ha serie implicazioni per il modello standard.
Il Megamaser Cosmology Project si concentra sulle galassie con dischi di gas molecolare in cui è presente acqua, in orbita attorno ai buchi neri supermassicci nei centri delle galassie. Se il disco viene visto di taglio, rispetto alla Terra, i punti luminosi di emissione radio, chiamati maser – analoghi radio dei laser a luce visibile – possono essere utilizzati per determinare sia la dimensione fisica del disco, sia la sua estensione angolare. Quindi, attraverso la geometria, è possibile determinare la sua distanza.
Il team del progetto ha utilizzato la rete mondiale di radiotelescopi per effettuare le misurazioni di precisione richieste da questa tecnica. Nel loro ultimo lavoro, hanno perfezionato le misurazioni della distanza su quattro galassie, a distanze che vanno da 168 milioni di anni luce a 431 milioni di anni luce. In combinazione con le precedenti misurazioni della distanza di altre due galassie, i loro calcoli hanno prodotto un valore per la costante di Hubble di 73.9 chilometri al secondo per megaparsec.
La mappa della anisotropie della radiazione cosmica di fondo ottenuta dai dati di Planck. Crediti: Esa
«Il test del modello standard di cosmologia è un problema davvero impegnativo che richiede le migliori misurazioni della costante di Hubble. La discrepanza tra i valori previsti e quelli misurati della costante di Hubble indica uno dei problemi più fondamentali in tutta la fisica, quindi vorremmo avere misurazioni multiple e indipendenti che confermano il problema e testare il modello. Il nostro metodo è geometrico e completamente indipendente da tutti gli altri e rafforza la discrepanza», spiega Dom Pesce, ricercatore presso il Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian e primo autore dello studio. «Il metodo maser per misurare la velocità di espansione dell’universo è elegante e, a differenza degli altri, basato sulla geometria. Misurando posizioni e dinamiche estremamente precise dei punti maser nel disco di accrescimento che circonda un buco nero distante, possiamo determinare la distanza dalle galassie ospiti e quindi la velocità di espansione. Il nostro risultato ottenuto con questa tecnica unica rafforza la causa di un problema chiave nella cosmologia osservativa» dichiara Mark Reid del Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian e membro del team del Megamaser Cosmology Project. «La nostra misurazione della costante di Hubble è molto vicina ad altre misurazioni recenti e statisticamente molto diversa dalle previsioni basate sul Cmb e sul modello cosmologico standard. Tutte le indicazioni evidenziano che il modello standard necessita di revisione», afferma Braatz.
Gli astronomi hanno vari modi per “aggiustare” il modello e risolvere la discrepanza. Alcuni di questi includono diverse presunzioni sulla natura dell’energia oscura, allontanandosi dalla costante cosmologica di Einstein. Altri sono più rivolti verso cambiamenti fondamentali nella fisica delle particelle, come cambiare il numero o il tipo di neutrini o il fatto che potrebbero interagire tra loro. Vi sono altre possibilità, ancora più esotiche, ma al momento gli scienziati non hanno prove chiare per riuscire a discriminarle. «Questo è un caso classico dell’interazione tra osservazione e teoria. Il modello Lambda Cdm ha funzionato abbastanza bene per anni, ma ora le osservazioni indicano chiaramente un problema che deve essere risolto e sembra che il problema risieda nel modello», conclude Pesce.
Per saperne di più:
- Leggi su Astrophysical Journal Letters l’articolo “The Megamaser Cosmology Project. XIII. Combined Hubble Constant Constraints” di W. Pesce, J. A. Braatz, M. J. Reid, A. G. Riess, D. Scolnic, J. J. Condon, F. Gao, C. Henkel, C. M. V. Impellizzeri, C. Y. Kuo, and K. Y. Lo