VELOCITA' DI ESPANSIONE DELL'UNIVERSO

A quale velocità si espande l'universo? 

A che velocità si sta espandendo l'Universo? I cosmologi sono molto confusi; la tecnica tanto attesa non riesce a risolvere il disaccordo sulla velocità dell'espansione cosmica, per ora.
Le stelle giganti rosse che invecchiano sono al centro di un nuovo metodo che misura l'attuale tasso di espansione dell'Universo.Credito: NASA / ESA / SPL
Per gran parte di questo decennio, i due indicatori più precisi del tasso di espansione dell'Universo sono stati in evidente disaccordo. Ora, una tecnica indipendente molto attesa che i cosmologi speravano avrebbe risolto l'enigma sta invece aggiungendo alla confusione. Nei risultati svelati il 16 luglio e che dovrebbero apparire sull'Astrophysical Journal, un team guidato dall'astronoma Wendy Freedman dell'Università di Chicago in Illinois presenta una tecnica che misura l'espansione utilizzando le stelle giganti rosse. Aveva promesso di sostituire un metodo che gli astronomi usano da più di un secolo, ma per ora la misurazione della velocità non è riuscita a risolvere la controversia perché si trova a metà strada tra i due valori controversi.
"L'Universo ci sta solo prendendo in giro a questo punto, giusto?" ha twittato un astrofisico riguardo al giornale.
"In questo momento, stiamo cercando di capire come tutto si incastri", ha risposto Freedman a Nature. Se la discrepanza della velocità cosmica non viene risolta, alcune delle teorie di base che i cosmologi usano per interpretare i loro dati, come le ipotesi sulla natura della materia oscura, potrebbero essere sbagliate. "La fisica fondamentale è in bilico".
Il Tachimetro cosmico
L'astronomo americano Edwin Hubble e altri scoprirono negli anni '20 che l'Universo si sta espandendo dimostrando che la maggior parte delle galassie si stanno allontanando dalla Via Lattea - e più sono lontane, più velocemente si stanno allontanando. Il rapporto approssimativamente costante tra velocità e distanza divenne noto come costante di Hubble. Per ogni megaparsec aggiuntivo (circa 3,26 milioni di anni luce) di distanza, Hubble ha scoperto che le galassie si allontanavano di 500 chilometri al secondo più velocemente, quindi la costante di Hubble era di 500 in unità di chilometri al secondo per megaparsec.
Nel corso dei decenni, gli astronomi hanno sostanzialmente rivisto al ribasso la stima man mano che le tecniche di misurazione miglioravano. Freedman ha aperto la strada all'uso del telescopio spaziale Hubble negli anni '90 per misurare (opportunamente) la costante di Hubble e ha calcolato un valore di circa 72 con un margine di errore di circa il 10%. Un team guidato dal premio Nobel Adam Riess della Johns Hopkins University di Baltimora, nel Maryland, ha effettuato finora le misurazioni più precise e il suo ultimo valore è 74, con un margine di errore di appena 1,91%. Ma uno sforzo separato nell'ultimo decennio ha posto un freno ai lavori. Gli scienziati della missione Planck dell'Agenzia spaziale europea hanno mappato la radiazione residua del Big Bang, chiamata fondo cosmico a microonde, e l'hanno usata per calcolare le proprietà di base dell'Universo. Utilizzando ipotesi teoriche standard sul cosmo, hanno calcolato la costante di Hubble come 67,8. Questa differenza tra 67,8 e 74 potrebbe sembrare piccola, ma è diventata statisticamente significativa poiché entrambe le tecniche sono migliorate. Quindi, i teorici hanno iniziato a chiedersi se la ragione della discrepanza risieda nella teoria standard della cosmologia, chiamata ΛCDM, che presuppone la presenza di particelle invisibili di materia oscura e una misteriosa forza repulsiva chiamata energia oscura. Ma hanno faticato a trovare una modifica alla teoria che potesse risolvere il problema ed essere ancora coerente con tutto ciò che è noto sull'Universo. "È difficile guardare ΛCDM e vedere dove sono i fili sciolti, che se li tiri, li dipaneranno", afferma Rocky Kolb, un cosmologo dell'Università di Chicago.
 

La tecnica di Freedman aggiorna un elemento chiave del consolidato metodo di misurazione Hubble e produce un valore di 69,8.

La parte difficile della misurazione della costante di Hubble è misurare in modo affidabile le distanze delle galassie. La prima stima di Hubble dipendeva dalla misurazione delle distanze delle galassie vicine osservando singole stelle luminose chiamate Cefeidi. L'astronoma Henrietta Swan Leavitt aveva scoperto all'inizio del ventesimo secolo che la luminosità effettiva di queste stelle era prevedibile. Quindi, misurando quanto apparivano luminose sulle lastre fotografiche, poteva calcolare quanto fossero lontane le stelle. Gli astronomi chiamano tali segnali candele standard.
Ma da allora i ricercatori hanno cercato di trovare candele standard migliori delle Cefeidi, che tendono ad esistere in regioni affollate e piene di polvere che possono distorcere le stime della loro luminosità. "L'unico modo che abbiamo per andare a fondo su questo è avere metodi indipendenti, e fino a questo punto non abbiamo avuto controlli sulle Cefeidi", afferma Freedman, che ha trascorso gran parte della sua carriera migliorando la precisione e l'accuratezza delle misurazioni delle Cefeidi. "Sa dove sono sepolti tutti i corpi", dice Kolb.
Freedman e i suoi colleghi hanno evitato del tutto le Cefeidi, e invece hanno usato come candele standard giganti rossi - vecchie stelle che si sono gonfiate - insieme 
Un breve riassunto: l'universo sta diventando più grande ogni secondo. Lo spazio tra le galassie si sta allungando, come la pasta che lievita nel forno. Ma quanto velocemente si sta espandendo l'universo? Mentre Hubble e altri telescopi cercano di rispondere a questa domanda, si sono imbattuti in un'intrigante differenza tra ciò che gli scienziati prevedono e ciò che osservano. Le misurazioni di Hubble suggeriscono un tasso di espansione nell'universo moderno più veloce del previsto, in base a come l'universo è apparso più di 13 miliardi di anni fa. Queste misurazioni dell'universo primordiale provengono dal satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea. Questa discrepanza è stata identificata in articoli scientifici negli ultimi anni, ma non è stato chiaro se la colpa sia delle differenze nelle tecniche di misurazione o se la differenza possa derivare da misurazioni sfortunate.
Gli ultimi dati di Hubble riducono la possibilità che la discrepanza sia solo un caso a 1 su 100.000. Questo è un guadagno significativo da una stima precedente, meno di un anno fa, di una possibilità di 1 su 3.000.
Queste misurazioni Hubble più precise fino ad oggi rafforzano l'idea che potrebbe essere necessaria una nuova fisica per spiegare la mancata corrispondenza.
La tensione di Hubble tra l'universo primo e secondo potrebbe essere lo sviluppo più entusiasmante in cosmologia degli ultimi decenni", ha affermato il ricercatore capo e premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University, a Baltimora, nel Maryland. "Questa discrepanza è cresciuta e ora ha raggiunto un punto che è davvero impossibile liquidare come un caso. Questa disparità non potrebbe plausibilmente verificarsi solo per caso".

Stringere i bulloni sulla "scala della distanza cosmica"

Gli scienziati usano una "scala delle distanze cosmiche" per determinare quanto sono lontane le cose nell'universo. Questo metodo dipende dall'effettuare misurazioni accurate delle distanze dalle galassie vicine e poi spostarsi verso galassie sempre più lontane, usando le loro stelle come indicatori di traguardo. Gli astronomi usano questi valori, insieme ad altre misurazioni della luce delle galassie che arrossisce mentre attraversa un universo in espansione, per calcolare la velocità con cui il cosmo si espande con il tempo, un valore noto come costante di Hubble. Riess e il suo team SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State) hanno cercato dal 2005 di perfezionare le misurazioni della distanza con Hubble e la costante di Hubble.
In questo nuovo studio, gli astronomi hanno utilizzato Hubble per osservare 70 stelle pulsanti chiamate variabili Cefeidi nella Grande Nube di Magellano. Le osservazioni hanno aiutato gli astronomi a "ricostruire" la scala delle distanze migliorando il confronto tra quelle Cefeidi e le loro cugine più lontane negli ospiti galattici delle supernove. Il team di Riess ha ridotto l'incertezza nel loro valore costante di Hubble all'1,9% da una stima precedente del 2,2%.
Conoscete la Grande Nube di Magellano? Una galassia satellite della nostra Via Lattea. I membri dell'ammasso includono una classe speciale di stelle pulsanti chiamata variabile Cefeide, che si illumina e si attenua a una velocità prevedibile che corrisponde alla sua luminosità intrinseca. Una volta che gli astronomi determinano quel valore, possono misurare la luce di queste stelle per calcolare una distanza precisa dalla galassia. Quando le nuove osservazioni di Hubble sono correlate con una tecnica di misurazione della distanza indipendente alla Grande Nube di Magellano (usando la semplice trigonometria), i ricercatori sono stati in grado di rafforzare le fondamenta della cosiddetta "scala della distanza cosmica". Questa "messa a punto" ha notevolmente migliorato l'accuratezza della velocità di espansione dell'universo, chiamata costante di Hubble.
Poiché le misurazioni del team sono diventate più precise, il loro calcolo della costante di Hubble è rimasto in contrasto con il valore atteso derivato dalle osservazioni dell'espansione dell'universo primordiale. Queste misurazioni sono state effettuate da Planck, che mappa il fondo cosmico a microonde, un bagliore residuo di 380.000 anni dopo il big bang.
Le misurazioni sono state accuratamente controllate, quindi gli astronomi non possono attualmente ignorare il divario tra i due risultati come dovuto a un errore in una singola misurazione o metodo. Entrambi i valori sono stati testati in più modi.
"Non si tratta solo di due esperimenti in disaccordo", ha spiegato Riess. "Stiamo misurando qualcosa di fondamentalmente diverso. Uno è una misura di quanto velocemente l'universo si sta espandendo oggi, come lo vediamo. 
Insomma esistono due misurazioni autorevoli ma differenti per capire la velocità a cui si espande l'universo.
Attualmente gli astronomi hanno fornito molte stime diverse sull'espansione dell'universo, alcune che hanno dato un risultato coerente e altre meno. Freedman è stata autorizzata a utilizzare il prossimo telescopio spaziale James Webb per studiare le giganti rosse. La speranza è che il suo lavoro aiuti una volta per tutte a chiarire alcune delle incertezze rimanenti sulla Costante di Hubble.
Credito: NASA / ESA / SPL

 

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