La cosmologia moderna si confronta con un problema irrisolto e fondamentale: le misurazioni del tasso di espansione attuale dell’Universo non sono coerenti con i segnali e i modelli derivati dall’osservazione del Cosmo primordiale. Questa discordanza, nota come Tensione della Costante di Hubble, suggerisce la necessità di una revisione delle attuali teorie fisiche.
Espansione dell’Universo: il conflitto tra metodi di misurazione
Gli scienziati si trovano di fronte a un dilemma significativo. Il tasso di espansione dell’universo, noto come Costante di Hubble, misurato attraverso tecniche diverse, produce risultati non concordanti. Le misurazioni tradizionali, spesso basate sull’osservazione di indicatori di distanza come le supernovae di Tipo Ia, generano un valore; le previsioni basate sui dati del Fondo Cosmico a Microonde (CMB), che riflettono l’universo nelle sue fasi iniziali, ne indicano un altro.
Per affrontare questo conflitto e proteggersi da potenziali errori sistematici nelle tecniche consolidate, gli astronomi sono costantemente alla ricerca di metodologie di misurazione alternative e indipendenti. In un recente studio, un team di ricercatori, inclusi esperti dell’Università di Tokyo, ha proposto e applicato una nuova strategia di osservazione per esaminare l’espansione cosmica: l’uso delle lenti gravitazionali.
Questo approccio sfrutta il principio secondo cui la luce proveniente da oggetti cosmici estremamente distanti può raggiungere la Terra percorrendo diversi percorsi a causa della curvatura dello spaziotempo indotta dalla massa di galassie o ammassi interposti (l’effetto lente).
Analizzando le differenze nei tempi di arrivo e nei percorsi di questa luce, gli scienziati possono perfezionare i modelli su larga scala che descrivono il comportamento e la crescita dinamica dell’Universo. Le nuove misurazioni effettuate con questa tecnica confermano la discordanza, suggerendo che l’attuale tasso di espansione non si allinea con le previsioni del cosmo primordiale.
È un dato assodato che l’universo è immenso e in espansione continua, sebbene le sue dimensioni esatte rimangano una variabile incerta. Il suo tasso di espansione può essere stimato, ma è cruciale comprendere che il processo non è lineare: più gli astronomi osservano oggetti distanti, più rapidamente essi sembrano allontanarsi.
La Costante di Hubble ($H_0$) quantifica questa velocità. La misurazione ottenuta dalle tecniche basate su oggetti distanti (come quella delle lenti gravitazionali) indica che, per ogni megaparsec (circa 3,3 milioni di anni luce) di distanza dalla Terra, gli oggetti si allontanano a una velocità di circa $73$ chilometri al secondo ($km/s/Mpc$). Questa cifra è al centro del dibattito, in quanto significativamente diversa da quella derivata dai dati del cosmo primordiale.
Una nuova misura della costante di Hubble
Gli sforzi per determinare il tasso di espansione dell’Universo, quantificato dalla Costante di Hubble sono cruciali per la cosmologia. Tradizionalmente, queste misurazioni si sono basate su approcci che dipendono da scale di distanza consolidate, ma i cosmologi continuano a cercare tecniche alternative per risolvere l’annosa discrepanza nei valori ottenuti.
Per calcolare la Costante di Hubble, gli astronomi si sono storicamente affidati all’uso di oggetti cosmici standardizzati come le supernovae e le stelle variabili Cefeidi. Questi oggetti agiscono come indicatori di distanza o “candele standard”, poiché la loro luminosità intrinseca è nota (o si presume sufficientemente costante) nelle diverse galassie.
Studiando un vasto numero di questi indicatori per anni, i ricercatori hanno ristretto il campo dei possibili valori per $H_0$. Nonostante la precisione raggiunta, l’incertezza residua e la dipendenza intrinseca da queste scale di calibrazione mantengono viva la necessità di sviluppare tecniche di misurazione più indipendenti e robuste.
Uno studio recente, condotto dal Professore Assistente Kenneth Wong e dal ricercatore post-dottorato Eric Paic dell’Università di Tokyo, propone una di queste tecniche indipendenti, denominata cosmografia a ritardo temporale. Questo metodo è stato dimostrato essere in grado di ridurre la dipendenza dalle scale di distanza e offre potenziali benefici anche ad altri settori della cosmologia.
Il principio fondamentale di questo approccio sfrutta l’effetto di lente gravitazionale. Wong spiega che per misurare $H_0$ con questo metodo è necessaria una galassia estremamente massiccia che agisca da lente gravitazionale. La gravità della lente devia la luce proveniente da un oggetto retrostante (una sorgente luminosa distante, come un quasar), creando multiple immagini distorte della sorgente stessa. Ciascuna di queste immagini ha percorso un cammino leggermente diverso per raggiungere l’osservatore, impiegando quindi tempi diversi.
Il cuore della cosmografia a ritardo temporale risiede nella capacità di misurare con precisione la differenza nel tempo impiegato (ritardo temporale) affinché la luce raggiunga la Terra attraverso i diversi percorsi. Questo si ottiene cercando cambiamenti identici e leggermente fuori fase nella luminosità o in altre caratteristiche delle immagini multiple.
Combinando questi dati sui ritardi temporali con stime accurate della distribuzione della massa all’interno della galassia lente (che causa la distorsione), gli scienziati sono in grado di calcolare l’accelerazione degli oggetti distanti con maggiore precisione. Il valore della Costante di Hubble misurato attraverso questa nuova tecnica si allinea ampiamente con gli intervalli supportati dai metodi tradizionali basati sulle galassie vicine.
L’attenzione dedicata al perfezionamento di un valore apparentemente già misurato riflette il ruolo centrale che H⁰ svolge nell’interpretazione dell’evoluzione universale e l’esistenza di un conflitto di lunga data nei metodi di misurazione. Il valore ampiamente accettato, derivato dalle osservazioni di galassie vicine (e supportato dal lavoro di Wong e colleghi), si attesta intorno a 73 km/s/Mpc. Tuttavia, un approccio completamente diverso, che analizza la Radiazione Cosmica di Fondo (CMB), il residuo del Big Bang che rappresenta l’universo primordiale, calcola un valore inferiore, pari a circa 67 km/s/Mpc.
Questa significativa discrepanza è nota come Tensione di Hubble. Il dibattito scientifico è acceso: la discrepanza è dovuta a limitazioni sperimentali o è un segnale di una nuova fisica sconosciuta che ha influenzato l’espansione dell’universo? Il lavoro indipendente condotto con la cosmografia a ritardo temporale contribuisce in modo cruciale a esplorare le radici di questa tensione, in assenza di una spiegazione definitiva.
La sfida della distribuzione della massa galattica
Le nuove misurazioni della Costante di Hubble ottenute tramite la cosmografia a ritardo temporale non solo forniscono un valore indipendente, ma rafforzano l’ipotesi che la persistente discrepanza cosmologica sia un fenomeno reale, con profonde implicazioni per la nostra comprensione dell’Universo.
Il Professor Wong ha sottolineato come la misurazione del team sia più coerente con le altre osservazioni attuali che misurano l’espansione dell’universo “tardo” (cioè l’universo nelle epoche più recenti) e, significativamente, meno coerente con le misurazioni derivate dall’universo primordiale (CMB).
Questa coerenza con un set di dati e la discordanza con l’altro fornisce una prova sostanziale che la Tensione di Hubble potrebbe effettivamente derivare da una fisica reale e non essere semplicemente il risultato di errori sconosciuti (bias sistematici) insiti nei vari metodi. La forza di questa conclusione risiede nel fatto che il metodo a ritardo temporale è completamente indipendente sia dai metodi dell’universo primordiale che da quelli tradizionali dell’universo tardo, rendendolo immune alle incertezze sistematiche di quelle tecniche.
Nonostante l’incoraggiante allineamento con i valori dell’universo tardo, il team è consapevole della necessità di aumentare la precisione per eliminare ogni dubbio. Il ricercatore Paic ha affermato che l’obiettivo principale attuale è migliorare la metodologia e aumentare la dimensione del campione per raggiungere una precisione sufficiente a stabilire in modo definitivo la Tensione di Hubble..
Attualmente, la precisione raggiunta è di circa il 4,5%. Per confermare la tensione con certezza scientifica, è necessario raggiungere un livello di precisione che si attesti intorno all’1-2%. Il team è ottimista riguardo al raggiungimento di questo ambizioso obiettivo.
Attualmente, la precisione raggiunta è di circa il 4,5%. Per confermare la tensione con certezza scientifica, è necessario raggiungere un livello di precisione che si attesti intorno all’1-2%. Il team è ottimista riguardo al raggiungimento di questo ambizioso obiettivo. Nello studio in questione, i ricercatori hanno analizzato un campione di otto sistemi di lenti a ritardo temporale. Ogni sistema comprende una galassia in primo piano che funge da lente e distorce la luce proveniente da un quasar distante, un buco nero supermassiccio intensamente luminoso che si nutre di gas e polvere.
Per ottimizzare i risultati, queste informazioni sono state combinate con nuove osservazioni raccolte da telescopi spaziali e terrestri moderni, incluso il sofisticato James Webb Space Telescope (JWST). Il lavoro futuro si concentrerà sull’ampliamento del numero di sistemi di lenti analizzati, sul perfezionamento continuo delle misurazioni e sulla rigorosa valutazione di ogni potenziale fonte di errore
Una delle principali fonti di incertezza che il team deve affrontare riguarda la distribuzione della massa all’interno delle galassie lente. Come sottolineato da Wong, si è soliti assumere che la massa segua un profilo relativamente semplice e coerente con le osservazioni, ma è difficile ottenere una certezza assoluta su questa distribuzione interna . Questa incertezza ha un impatto diretto sui valori finali della Costante di Hubble calcolati. La risoluzione di questo problema è fondamentale per raggiungere la precisione desiderata dell’1-2%.
La Tensione di Hubble è di vitale importanza scientifica, poiché, se confermata, potrebbe non solo invalidare alcune ipotesi esistenti ma indicare una nuova era nella cosmologia che porterà alla scoperta di una nuova fisica finora sconosciuta. Il progetto, frutto di una collaborazione decennale e internazionale tra ricercatori e osservatori indipendenti, dimostra il ruolo cruciale della cooperazione globale nel risolvere i più grandi misteri dell’Universo.
Lo studio è stato pubblicato su Astronomy & Astrophysics.
