Un nuovo studio ha utilizzato “bolle cosmiche” giganti per misurare l’espansione dell’universo con una precisione senza precedenti. Il risultato, noto come costante di Hubble, è di 67,97 chilometri al secondo per megaparsec, con un’incertezza di appena lo 0,8%.
La Costante di Hubble e la “crisi” cosmologica
Il risultato si è basato sulle “bolle” create dall’Universo primordiale in espansione e ha rappresentato un progresso significativo sia nella misurazione della costante di Hubble che nella ricerca della misteriosa energia oscura che la guida. Tuttavia, esso ha evidenziato anche una “crisi in corso” per la cosmologia.
La ragione di questa crisi è dovuta a due diversi modi di misurare la costante di Hubble che ha prodotto costantemente due intervalli di risultati differenti. Questi, ottenuti utilizzando lo strumento spettroscopico per l’energia oscura del Lawrence Berkeley National Laboratory, si sono avvicinati molto all’esclusione dell’errore umano, almeno con questo metodo.
Nathalie Palanque-Delabrouille, cosmologa del Berkeley Lab, ha dichiarato: “Nessun esperimento spettroscopico ha mai avuto così tanti dati prima, e continuiamo a raccoglierne altri da più di un milione di galassie ogni mese. È sorprendente che con solo il nostro primo anno di dati, abbiamo potuto già misurare la storia dell’espansione del nostro universo in sette diverse porzioni del tempo cosmico, ciascuna con una precisione dall’1 al 3%”.
La tensione di Hubble è considerata il problema più grande della cosmologia moderna. Essa deriva da una discrepanza tra i risultati ottenuti.
Candele e Righelli cosmici: la discrepanza della costante di Hubble
Le candele standard sono oggetti cosmici la cui luminosità intrinseca è ben conosciuta. Tra quelle più utilizzate ci sono le stelle variabili Cefeidi e le supernove di tipo Ia. Se si conosce la luminosità intrinseca di un oggetto è possibile calcolarne la distanza, questo perché la luminosità apparente di un oggetto diminuisce con la distanza.
Le stelle variabili Cefeidi sono stelle pulsanti la cui brillantezza varia in modo regolare. La luminosità intrinseca di una Cefeide è correlata al periodo della sua pulsazione. Misurando il periodo di una Cefeide, è possibile stimarne la stessa.
Le supernove di tipo Ia sono esplosioni di stelle bianche nane. La luminosità intrinseca di una supernova di tipo Ia è molto ben conosciuta. Misurando la luce apparente di una supernova di tipo Ia in una galassia lontana, è possibile stimare la distanza della galassia.
Utilizzando le candele standard, gli astronomi hanno misurato la costante di Hubble a circa 73 chilometri al secondo per megaparsec. Questo valore è in contrasto con il valore di H0 ottenuto dai righelli standard, che è circa il 67 chilometri al secondo per megaparsec.
La discrepanza tra i valori della costante di Hubble ottenuti dalle candele standard e dai righelli standard è un problema serio per la cosmologia. La causa di questa discrepanza non è ancora conosciuta.
I righelli standard sono oggetti cosmici la cui dimensione è ben conosciuta. Questi oggetti possono essere utilizzati per misurare la distanza di galassie lontane e, di conseguenza, la costante di Hubble.
Tra i più utilizzati ci sono il fondo cosmico a microonde (CMB) e le oscillazioni acustiche barioniche (BAO).
Il CMB è la luce che per prima ha attraversato l’Universo circa 380.000 anni dopo il Big Bang. Le anisotropie del CMB, o piccole variazioni di temperatura, possono essere utilizzate per misurare la distanza di galassie lontane.
Le BAO sono “bolle” nello spazio create dalle onde sonore che viaggiavano attraverso l’Universo primordiale. Il raggio di queste è fissato a circa 150 megaparsec. Misurando la distanza tra le BAO, gli astronomi possono stimare la distanza di galassie lontane.
DESI vs JWST: la “tensione di Hubble” si acuisce
L’indagine del cielo DESI ha scrutato un’enorme estensione di 11 miliardi di anni luce nello spazio-tempo, misurando le BAO per quanto poteva vedere. I risultati, combinati con le misurazioni del fondo cosmico a microonde (CMB), sono rientrate saldamente nel campo delle regole standard. In altre parole, supportano il modello cosmologico standard.
Anche senza la CMB, tuttavia, la misurazione BAO sembra escludere velocità più elevate per la costante di Hubble (H0). In particolare, i dati suggeriscono un valore di H0 compreso tra 67 e 68 chilometri al secondo per megaparsec.
Kyle Dawson, fisico dell’Università dello Utah ha spiegato: “Tendiamo a trovare valori per H0 nell’intervallo di 67-68 chilometri al secondo per megaparsec, anche variando le ipotesi del campione di dati o della storia dell’espansione cosmica. Questi dati BAO ci permettono di affermare con certezza che il valore di H0 è meno di 70 chilometri al secondo per megaparsec quando si utilizza un righello standard calibrato sulla fisica dell’Universo primordiale”.
Il problema principale è che le recenti misurazioni delle candele standard effettuate con il telescopio spaziale James Webb (JWST) supportano un valore di H0 di circa 73 chilometri al secondo per megaparsec. Questo valore è in contrasto con il valore di H0 ottenuto dalle misurazioni dei righelli standard, che è circa 67 chilometri al secondo per megaparsec.
Le recenti misurazioni del JWST rendono ancora più difficile colmare il divario tra i due valori di H0. Questo significa che la nuova fisica potrebbe essere la spiegazione della tensione di Hubble.
La nuova misurazione di DESI ha rappresentato un passo avanti significativo nella nostra comprensione dell’universo. Si basa su un solo anno di dati, ma ha fornito una precisione molto migliore rispetto a quella ottenuta dagli esperimenti della generazione precedente in dieci anni.
La maggiore precisione di DESI ha permesso ai ricercatori di testare in modo più significativo la natura dell’energia oscura. I risultati preliminari suggeriscono una deviazione dal modello cosmologico standard (ΛCDM), che si basa su modelli specifici per l’energia oscura e la materia oscura.
Kyle Dawson ha aggiunto: “Questa maggiore precisione ci ha collocato nel regime che cercavamo da 20 anni, il regime in cui possiamo testare in modo significativo la natura dell’energia oscura”.
I risultati ottenuti utilizzando solo DESI, BAO e CMB sono stati meglio descritti da un modello che devia dal modello LCDM standard di 2,6 sigma. Sebbene non sia ancora il livello di 3 sigma che garantisce la prova di una nuova fisica, questo livello di disaccordo con il modello ipotizzato è significativo.
Dawson ha concluso: “Abbiamo dimostrato che le tecniche di analisi sviluppate in questo primo anno sono robuste e ci aspettiamo che le prossime misurazioni siano significativamente più precise.”
I risultati di DESI sono stati presentati al meeting di marzo dell’American Physical Society e sono stati resi disponibili sul server di prestampa arXiv.
