Fabio Finelli, cosmologo all’Inaf Oas Bologna e autore – insieme ad Akhil Antony, Dhiraj Kumar Hazra e Arman Shafieloo – dell’articolo in uscita su Physical Review Letters
Un nuovo modello, elaborato da un team di quattro ricercatori dall’India, dall’Italia e dalla Corea del Sud, si candida ad allentare la tensione fra cosmologi e astrofisici. Più propriamente, fra valori incompatibili – da cui il termine tensione, appunto – del valore di H0, la costante di Hubble, derivato dai dati cosmologici rispetto a quello fornito dalle osservazioni astrofisiche. La questione è ben nota: i primi danno un valore attorno ai 67 km/s/Mpc (chilometri al secondo per megaparsec), le seconde invece dicono 73 km/s/Mpc. E poiché la precisione che entrambe le stime vantano è molto elevata, l’errore dichiarato è talmente piccolo che le due misure risultano, appunto, incompatibili.
Riguardando i dati raccolti dal satellite dell’Esa Planck, il primo autore dello studio, lo studente di dottorato Akhil Antony dell’Institute of Mathematical Sciences di Chennai (India), il suo supervisore Dhiraj Kumar Hazra (postodoc AstroFit all’Inaf fino al 2020, oggi in India), Arman Shafieloo del Korea Institute of Astronomy and Space Science e Fabio Finelli dell’Istituto nazionale di astrofisica si sono però accorti che sarebbe sufficiente considerare un’oscillazione in più all’epoca dell’inflazione per ritrovarsi con un valore “cosmologico” di H0 significativamente più vicino a quello “astrofisico”. E non sarebbe l’unico problema, se non proprio risolto, quanto meno ridimensionato dal loro approccio. In attesa che il risultato venga pubblicato su Physical Review Letters, che già ha accettato il paper, abbiamo raggiunto Fabio Finelli per comprenderne meglio la portata.
Se ho ben capito, proponete una modifica al modello cosmologico standard (il cosiddetto Lambda-Cdm) che avrebbe ripercussioni anche sul valore di H0, la costante di Hubble, ritoccandola un po’ verso l’alto – ovvero verso il valore ottenuto dalle osservazioni di lontane supernove di tipo Ia. In cosa consiste la vostra modifica al modello?
«Il modello cosmologico standard assume una legge di potenza per lo spettro delle perturbazioni di densità primordiali. Aggiungendo a questo spettro un’oscillazione localizzata attorno a scale dell’ordine di 0.1/Mpc, abbiamo un’indicazione su come risolvere simultaneamente tre discordanze del modello standard con attuali osservazioni cosmologiche. Queste tre “puzzles”, apparentemente scollegati tra loro, sono: un eccesso di lensing nelle anisotropie in temperatura della radiazione di fondo a microonde (Cmb) nella regione dei picchi acustici determinate dalla missione Esa Planck, la tensione tra il valore di H0 stimato da osservazioni cosmologiche e quello misurato attraverso curve di luminosità delle supernove Ia calibrate con le Cefeidi e, infine, la discrepanza tra la crescita delle strutture stimata dal weak lensing e dalle anisotropie del Cmb, quantificata dal parametro S8. Nel nostro articolo spieghiamo anche come questa oscillazione primordiale possa venir generata nei primi istanti dopo il big bang, ovvero durante l’inflazione».
In alto, un’infografica che illustra il nuovo modello e le sue ricadute (cliccare per ingrandire). Nei quattro grafici in basso, alcuni contorni per i valori relativi ad altrettanti parametri cosmologici. In particolare, nel terzo grafico da sinistra si può vedere come il nuovo valore della costante di Hubble (H0) si sposterebbe in modo significativo verso l’intervallo (su bande verdi) suggerito dalle osservazioni delle supernove Ia. Crediti: Esa and the Planck Collaboration (per l’immagine della Cmb), Alex Tudorica/Kids (per l’immagine Kids), Esa Hubble site/Esa Gaia site/Stsci (per l’immagine SH0ES); A. Antony et al., Prl, 2023 (per i quattro grafici)
Come vi è venuta l’idea di intervenire su un modello consolidato qual è il Lambda-Cdm? È un’ipotesi meramente teorica, questa sull’oscillazione primordiale, o è in qualche modo sostenuta dai dati cosmologici oggi disponibili?
«Nell’ultima analisi del 2018, all’interno della collaborazione Planck, era stato indicato come questo tipo di oscillazione primordiale potesse spiegare meglio del modello cosmologico standard l’eccesso di lensing nei dati di Planck, più marcato nelle anisotropie in temperatura. In questo lavoro abbiamo mostrato come questo tipo di oscillazione primordiale possa anche aiutare a comprendere le attuali tensioni in H0 ed S8».
E di quanto si allenterebbe la tensione? In altre parole, di quanto si avvicina la costante di Hubble – nel vostro modello, rispetto a quello cosmologico standard – al valore ottenuto dalle curve di luminosità delle supernove di tipo Ia?
«Il valore di H0 che otteniamo dai soli dati di Cmb è all’incirca più alto di 2-3 km/s/Mpc rispetto quello ottenuto nel modello cosmologico standard, ma comporta allo stesso tempo un valore più basso di S8, come indicato dal weak lensing di cataloghi di galassie. La predizione di un valore più alto di H0 e più basso per S8 è una caratteristica quasi unica di questo modello rispetto alla maggior parte degli altri esempi di nuova fisica introdotti, che però non riescono ad alleviare entrambe le tensioni».
Esiste un modo per verificare sperimentalmente la vostra ipotesi?
«Poiché questo modello è stato motivato inizialmente dai dati di Planck, può essere verificato da misure indipendenti da Planck o da misure più precise delle anisotropie in polarizzazione, sempre ad alti multipoli. Ma vi possono essere impronte delle deviazioni dello spettro delle perturbazioni sulle scale proposte nella funzione di correlazione delle galassie sia nei dati attualmente disponibili sia in quelli futuri che verranno forniti da esperimenti come Desi o Euclid».
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo in uscita su Physical Review Letters “Discordances in cosmology and the violation of slow-roll inflationary dynamics”, di Akhil Antony, Fabio Finelli, Dhiraj Kumar Hazra e Arman Shafieloo