RS Puppis, un tipo di stella variabile nota come variabile Cefeide. Crediti: Hubble Legacy Archive, NASA, ESA
L’universo si sta espandendo, ma esattamente quanto velocemente? La risposta sembra dipendere dal fatto che si stimi il tasso di espansione cosmica – indicato come costante di Hubble, o H0 – sulla base della misura delle anisotropie del fondo cosmico a microonde (Cmb, dall’inglese cosmic microwave background) o lo si misuri a partire dalle stelle e dalle galassie dell’universo locale. Questo problema, conosciuto come tensione di Hubble, è un bel grattacapo per gli astrofisici e i cosmologi di tutto il mondo.
Uno studio condotto dal gruppo di ricerca Stellar Standard Candles and Distances, guidato da Richard Anderson dell’Istituto di fisica dell’Epfl, in Svizzera, ha aggiunto un nuovo tassello al puzzle della costante di Hubble. La loro ricerca, pubblicata su Astronomy & Astrophysics, ha raggiunto la calibrazione a oggi più accurata delle stelle Cefeidi – un tipo di stella variabile la cui luminosità cambia in un periodo definito – nella misura della distanza sulla base dei dati raccolti dalla missione Gaia dell’Agenzia spaziale europea (Esa). Questa nuova calibrazione amplifica ulteriormente la tensione di Hubble.
La migliore misurazione diretta di H0 utilizza la cosiddetta scala delle distanze cosmiche, dove il primo gradino è fissato dalla calibrazione assoluta della luminosità delle Cefeidi, ora ricalibrata dallo studio dell’Epfl. A loro volta, le Cefeidi calibrano il gradino successivo della scala, dove le supernove – potenti esplosioni di stelle giunte alla fine della loro vita – tracciano l’espansione dello spazio stesso. Questa scala delle distanze, per il team Equation of State of dark energy (Shoes) guidato da Adam Riess, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2011, pone H0 a 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.
Ma H0 può anche essere determinata a partire dal Cmb, la radiazione fossile rimasta dal Big Bang più di 13 miliardi di anni fa. Tuttavia, questo metodo di misurazione dell’universo primordiale presuppone una comprensione fisica dettagliata di come si evolve l’universo, rendendo la stima di H0 dipendente dal modello. Il satellite Planck dell’Esa ha fornito i dati più completi sul Cmb e, secondo questo metodo, H0 è 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.
La tensione di Hubble si riferisce a questa discrepanza di 5,6 km/s/Mpc, a seconda che venga utilizzato il metodo Cmb (early Universe) o il metodo della scala delle distanze (late Universe). L’implicazione, a condizione che le misurazioni eseguite con entrambi i metodi siano corrette, è che ci sia qualcosa di sbagliato nella comprensione delle leggi fisiche fondamentali che governano l’universo. Naturalmente, questo importante problema sottolinea quanto sia essenziale che i metodi degli astrofisici siano affidabili.
La scala delle distanze cosmiche. Crediti: Nasa, Esa, A.Feild (Stsci), and A.Riess (Stsci/Jhu)
Lo studio di Epfl è importante perché rafforza il primo gradino della scala delle distanze migliorando la calibrazione delle Cefeidi come rilevatori di distanza: la nuova calibrazione ci consente di misurare le distanze astronomiche entro ± 0,9% e questo fornisce un forte supporto alla misurazione dell’universo recente. Inoltre, i risultati ottenuti all’Epfl, in collaborazione con il team Shoes, hanno contribuito a perfezionare la misurazione H0, con conseguente miglioramento della precisione e maggiore significatività della tensione di Hubble.
«Il nostro studio conferma il tasso di espansione di 73 km/s/Mpc ma, cosa ancora più importante, fornisce anche le calibrazioni più precise e affidabili delle Cefeidi come strumenti per misurare le distanze fino ad oggi», afferma Anderson. «Abbiamo sviluppato un metodo che cerca Cefeidi appartenenti ad ammassi stellari composti da diverse centinaia di stelle testando se le stelle si muovono insieme attraverso la Via Lattea. Grazie a questo trucco, potremmo trarre vantaggio dalla migliore conoscenza delle misurazioni della parallasse di Gaia, beneficiando al tempo stesso del guadagno in precisione fornito dalle numerose stelle dell’ammasso. Questo ci ha permesso di spingere al limite la precisione delle parallassi di Gaia e fornisce la base più solida su cui poggiare la scala delle distanze».
Perché è importante una differenza di pochi km/s/Mpc, data la vasta scala dell’Universo? «Questa discrepanza ha un enorme significato», afferma Anderson. «Supponi di voler costruire un tunnel scavando da due lati opposti di una montagna. Se hai capito bene il tipo di roccia e se i tuoi calcoli sono corretti, allora le due buche che stai scavando si incontreranno al centro. Ma se non lo fanno, significa che hai commesso un errore: o i tuoi calcoli sono sbagliati o ti sbagli sul tipo di roccia. Questo è quello che sta succedendo con la costante di Hubble. Più conferme otteniamo che i nostri calcoli sono accurati, più possiamo concludere che la discrepanza significa che la nostra comprensione dell’universo è errata, che l’universo non è proprio come pensavamo».
La discrepanza ha molte altre implicazioni. Mette in discussione gli elementi fondamentali, come l’esatta natura dell’energia oscura, il continuum spazio-temporale e la gravità. «Significa che dobbiamo ripensare i concetti di base che costituiscono il fondamento della nostra comprensione generale della fisica», afferma Anderson.
Lo studio del suo gruppo di ricerca dà un contributo importante anche in altri ambiti. «Poiché le nostre misurazioni sono così precise, ci danno un’idea della geometria della Via Lattea», aggiunge Mauricio Cruz Reyes, studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Anderson e autore principale dello studio. «La calibrazione altamente accurata che abbiamo sviluppato ci consentirà di determinare meglio le dimensioni e la forma della Via Lattea come galassia a disco piatto e la sua distanza da altre galassie, per esempio. Il nostro lavoro ha anche confermato l’affidabilità dei dati di Gaia confrontandoli con quelli presi da altri telescopi».
Per saperne di più:
- Leggi su Astronomy & Astrophysics l’articolo “A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids“, di Mauricio Cruz Reyes e Richard I. Anderson