Da diversi decenni la comunità scientifica è consapevole che l’universo si trova in uno stato di espansione costante. Per misurare la velocità di questo fenomeno, i ricercatori utilizzano il valore noto come costante di Hubble, affidandosi a diverse tecniche di analisi. In teoria, poiché questi metodi si basano sui medesimi principi fisici, i risultati ottenuti dovrebbero essere coerenti tra loro.
L’enigma della costante di Hubble e la tensione cosmologica
Emerge tuttavia una discrepanza significativa: i dati derivanti dall’universo primordiale non concordano con quelli ottenuti dall’osservazione dell’universo tardo. Questo conflitto, definito “tensione di Hubble”, rappresenta oggi una delle sfide aperte più rilevanti e dibattute nel campo della cosmologia moderna.
Per tentare di risolvere questa impasse, un team multidisciplinare composto da astrofisici, cosmologi e fisici del Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois e dell’Università di Chicago ha messo a punto una metodologia innovativa. Il nuovo approccio sfrutta le onde gravitazionali, ovvero le infinitesimali increspature che si propagano nel tessuto dello spaziotempo. Grazie a questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a perfezionare l’accuratezza dei calcoli basati su tali onde, offrendo una strada alternativa e indipendente per determinare il tasso di espansione universale.
Secondo il professor Nicolás Yunes, direttore dell’Illinois Center for Advanced Studies of the Universe, l’importanza di questo traguardo risiede proprio nella sua natura autonoma. Ottenere una stima della costante di Hubble che non dipenda dai set di dati tradizionali è fondamentale per fare luce sulla tensione esistente. Il metodo proposto introduce un livello di precisione superiore nelle inferenze cosmologiche, trasformando l’osservazione delle onde gravitazionali in una sonda sempre più affidabile per comprendere l’architettura dell’Universo.
Daniel Holz, docente presso l’Università di Chicago, sottolinea l’eccezionalità della scoperta, evidenziando come non sia comune identificare strumenti d’analisi completamente inediti per la cosmologia. La ricerca dimostra che il “ronzio” di fondo prodotto dalla fusione di buchi neri in galassie remote può essere utilizzato per svelare l’età e la composizione del cosmo. Questa direzione di studio apre prospettive entusiasmanti, poiché l’applicazione di tali metodi ai futuri set di dati permetterà di vincolare con maggiore rigore non solo la costante di Hubble, ma anche altre grandezze fondamentali che definiscono la nostra realtà fisica.
L’evoluzione delle metodologie di misurazione cosmica
Dall’inizio del secolo scorso, la comunità scientifica ha intrapreso due strade principali per determinare la velocità con cui l’universo si espande. Da un lato vi sono le tecniche basate sulle osservazioni elettromagnetiche, dall’altro quelle più recenti che sfruttano i dati delle onde gravitazionali. Il metodo tradizionale della “candela standard” si affida alle supernovae, ovvero le luminose esplosioni di stelle morenti di cui conosciamo bene le proprietà fisiche. Poiché è possibile calcolare con precisione sia la loro distanza dalla Terra sia la velocità con cui si allontanano, questi eventi forniscono le informazioni necessarie per misurare il tasso di espansione universale.
L’avvento della rilevazione delle onde gravitazionali, generate da collisioni energetiche tra oggetti compatti come i buchi neri, ha introdotto nuove possibilità di calcolo. Queste increspature dello spaziotempo, simili a cerchi concentrici sulla superficie di uno stagno, viaggiano alla velocità della luce e vengono intercettate dalla rete globale LIGO-Virgo-KAGRA (LVK). Sebbene la determinazione della distanza tramite queste “sirene standard” sia relativamente semplice, stabilire la velocità di recessione rimane complesso: a differenza delle supernovae, le collisioni di buchi neri non emettono luce propria, rendendo difficile identificare la galassia ospite senza un segnale elettromagnetico visibile.
L’incoerenza tra i valori ottenuti da queste diverse tecniche ha generato la cosiddetta “tensione di Hubble”, un problema che suggerisce la necessità di rivedere la nostra comprensione dell’universo primordiale. Se questa discrepanza non venisse risolta con misurazioni più precise, gli scienziati potrebbero dover modificare le teorie sulla composizione e sul comportamento energetico del cosmo arcaico. Tra le soluzioni proposte figurano l’esistenza di un’energia oscura primordiale accelerante, interazioni inedite tra materia oscura e neutrini, o una dinamica evolutiva dell’energia oscura stessa che differisce da quanto ipotizzato finora.
In questo contesto di incertezza, il team guidato da Yunes e Cousins propone un approccio rivoluzionario che mira a sfruttare eventi astrofisici attualmente invisibili ai singoli sensori della rete LVK. L’attenzione si sposta sul “fondo di onde gravitazionali”, ovvero un ronzio collettivo prodotto da innumerevoli collisioni che avvengono nell’Universo ma che sono troppo deboli per essere isolate singolarmente. Partendo dalla frequenza delle fusioni di buchi neri osservate, i ricercatori deducono l’esistenza di questo vasto rumore di fondo, utilizzandolo come una nuova metrica per calcolare la costante di Hubble e tentare finalmente di ricomporre il puzzle dell’espansione cosmica.
La correlazione tra espansione cosmica e intensità del segnale
Il team di ricerca ha evidenziato un legame fondamentale tra il tasso di espansione dell’universo e il volume dello spazio in cui avvengono le collisioni celesti. Secondo le loro analisi, valori più bassi della costante di Hubble implicherebbero un volume totale ridotto, portando di conseguenza a una maggiore densità di collisioni tra oggetti compatti.
Questo scenario provocherebbe un aumento dell’intensità nel segnale del fondo di onde gravitazionali. Pertanto, la mancata rilevazione di un segnale di fondo così intenso permette agli scienziati di escludere con ragionevole certezza i valori più bassi della costante di Hubble, restringendo il campo delle ipotesi sulla velocità di espansione.
I ricercatori hanno battezzato questa strategia innovativa “metodo della sirena stocastica”, riflettendo la natura casuale e imprevedibile delle collisioni che generano il ronzio di fondo del cosmo. Applicando tale approccio ai dati attuali della Collaborazione LVK, il gruppo di studio ha fornito una prova di principio significativa: l’assenza di una rilevazione del fondo è stata utilizzata come prova contraria a un’espansione lenta dell’universo.
Integrando poi i dati della sirena stocastica con le misurazioni derivanti dalle singole collisioni di buchi neri, è stato possibile ottenere una stima più precisa, confermando la validità del metodo e posizionando il valore della costante di Hubble proprio all’interno della zona di massima tensione cosmologica.
Il potenziale di questa tecnica è destinato a crescere proporzionalmente all’aumento della sensibilità dei rilevatori terrestri. Gli esperti prevedono che il fondo di onde gravitazionali possa essere rilevato concretamente entro i prossimi sei anni, ma il metodo della sirena stocastica inizierà a produrre risultati rilevanti molto prima. Man mano che i limiti superiori della sensibilità miglioreranno, sarà possibile escludere valori sempre più elevati della costante di Hubble, fornendo un’indagine continua e dettagliata sulla tensione cosmologica anche in assenza di una rilevazione diretta e completa del segnale di fondo.
Come sottolineato da Bryce Cousins, l’integrazione di queste nuove informazioni apre la strada a una comprensione più profonda della struttura dell’universo. L’obiettivo finale rimane quello di affinare progressivamente i margini di errore per delimitare con precisione il fondo di onde gravitazionali. Grazie a questo costante miglioramento tecnologico e metodologico, la comunità scientifica confida di ottenere risultati cosmologici superiori, avvicinandosi sensibilmente alla risoluzione definitiva della tensione di Hubble e chiarendo una volta per tutte i misteri legati alla nascita e all’evoluzione dello spaziotempo.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
