Con che velocità si sta espandendo l’universo?
Da quando, nel 1929, Edwin Hubble scoprì che le galassie si stanno allontanando nel tempo, consentendo agli scienziati di risalire all’evoluzione dell’universo fino al Big Bang iniziale, gli astronomi hanno cercato misurare l’esatta velocità di questa espansione. In particolare, astronomi, astrofisici e cosmologi vorrebbero determinare un numero chiamato parametro di Hubble, che indica la velocità con cui il cosmo si sta espandendo. La costante di Hubble ci dice anche l’età dell’Universo, quindi misurarlo è stato un obiettivo importante per molti astronomi nella seconda metà del XX secolo.
Questo valore viene derivato dalla legge di Hubble-Lemaître che afferma che esiste una relazione lineare tra lo spostamento verso il rosso della luce emessa dalle galassie e la loro distanza. Tanto maggiore è la distanza della galassia e tanto maggiore sarà il suo spostamento verso il rosso. In forma matematica la legge di Hubble può essere espressa come
- {z={\frac {H_{0}D}{c}}}
dove z è lo spostamento verso il rosso misurato della galassia, D è la sua distanza, c è la velocità della luce e H0 è la costante di Hubble, il cui valore attualmente stimato è attorno a 2,176 aHz (67,15 km/s/Mpc).
Il problema, tuttavia, è che misurare la costante di Hubble è, forse non sorprendentemente, abbastanza difficile. Si pensa che sia possibile determinare questo parametro con diversi metodi ma gli osservatori impegnati in questa misura stanno ottenendo numeri diversi a seconda del metodo che usano.
C’è da fare un’ulteriore precisazione: in quasi tutti i modelli cosmologici (ed in particolare in tutti quelli basati sull’ipotesi del Big Bang, cioè praticamente tutti quelli attualmente ritenuti possibili) la costante di Hubble è costante solo nel senso che se in questo momento (cioè nello stesso istante di tempo cosmologico) noi ripetessimo la sua misura in qualunque altro punto dell’universo, otterremmo il medesimo valore. Questo valore però cambia nel tempo. Per limitare la confusione, solitamente si usa il termine parametro di Hubble al tempo t (indicato con H(t)), mentre con costante di Hubble H0 si intende il valore attuale.
L’evoluzione di H è dovuta agli effetti della gravità (la forza gravitazionale della materia presente nell’universo tende a rallentare l’espansione) e della cosiddetta energia oscura (dark energy), che invece tende ad accelerarla; la cosiddetta costante cosmologica sarebbe una forma particolare di energia oscura. Misure condotte in anni recenti (a partire dal 1999) sembrano indicare che l’espansione dell’universo stia in questo momento accelerando.
Sembra che il numero ottenuto in base all’apparizione dell’universo poco dopo il Big Bang sia significativamente più piccolo del numero ottenuto quando si osservano misure che coinvolgono gli oggetti più vicini.
Il primo parametro di Hubble dell’universo, derivato dalle osservazioni del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea, ci dice che l’universo ha circa 13,8 miliardi di anni. Nel frattempo però, le misurazioni effettuate sul cosmo locale darebbero un risultato che assegnerebbe all’universo un’età di quasi un miliardo di anni in meno. Se quell’età più piccola fosse corretta, bisognerebbe rivedere l’intera linea temporale della storia cosmica e falsare la nostra comprensione di quando e come sono accaduti i vari eventi principali nell’evoluzione dell’universo.
Il sostanza dovremmo rivedere completamente il modello cosmologico standard.
Una volta nota l’età dell’universo e accettando l’assunzione che la velocità della luce sia costante, parrebbe che non sia possibile osservare oggetti più lontani dello spazio percorso dalla luce durante l’intera vita dell’universo. La nozione che questa distanza sia banalmente pari a circa 13,82 miliardi di anni luce (4,3 gigaparsec) è erronea, poiché non tiene conto dell’espansione dell’universo che è intervenuta progressivamente, tra l’altro in costante accelerazione, fino a raggiungere la situazione in cui lo spazio si dilata più velocemente della luce.
La distanza di Hubble, ricavata dalla costante di Hubble, posta a 16 miliardi di anni luce dall’osservazione, delimita la distanza oltre la quale leggi fisiche, spazio e tempo perdono significato e contatto causale, cioè non esisterà mai la possibilità di osservare o scambiare alcun segnale, interazione o informazione, che in pratica esce dalla realtà dell’osservatore.
Per tornare al parametro di Hubble, la discrepanza tra i valori di volta in volta calcolati non è così grande da mettere seriamente in dubbio la teoria del Big Bang o il modello cosmologico standard, ma è abbastanza grande che alcuni cosmologi – scienziati che studiano la storia e la composizione dell’universo nel suo insieme – stanno suggerendo che quantomeno è in corso una crisi.
Adam Riess, il cosmologo del Johns Hopkins che ha condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 2011, sostiene che non possiamo ignorare la discrepanza, perché continua a comparire, ancora e ancora, in troppe osservazioni indipendenti sul cosmo locale per essere casuale. “Se l’universo fallisce questo cruciale test end-to-end, cosa dovrebbe dirci questo?” Ha scritto Riess su Nature. “È allettante pensare che potremmo vedere prove di una nuova fisica del cosmo”.
Potrebbe essere così, ma “Direi che è almeno altrettanto probabile che non comprendiamo ancora quali siano tutte le sottigliezze di queste misurazioni“, ha affermato il cosmologo Arthur Kosowsky dell’Università di Pittsburgh, “ed è possibile che tutte le misurazioni alla fine convergeranno su un unico valore [per il parametro Hubble]“.
In effetti, la discrepanza potrebbe ridursi a poco più che ai pregiudizi nascosti nelle misurazioni. Per usare un’analogia, se hai un fucile ad aria compressa che tira leggermente a destra mentre spari a un bersaglio, tutti i tuoi colpi possono essere raggruppati attorno a un singolo punto, ma quel punto sarà a destra del centro del bersaglio. Il fucile introduce un errore sistematico nel tuo obiettivo normalmente corretto.
Ma l’analogia è imperfetta perché in cosmologia non sappiamo dove sia il “centro del bersaglio”: il valore preciso del parametro di Hubble non può essere calcolato indipendentemente dalle misurazioni.
A complicare ulteriormente le cose, nessuna delle osservazioni misura direttamente il parametro di Hubble. Al contrario, le misurazioni collegano diversi fenomeni osservabili al tasso di espansione cosmica. Il trucco consiste nell’utilizzare più misurazioni indipendenti come confronto reciproco, sperando che eventuali effetti sistematici possano essere individuati nel processo.
Ad esempio, le osservazioni sull’universo primordiale del satellite Planck – quelle che ci dicono che l’universo si sta espandendo più lentamente – si basano su qualcosa chiamato sfondo cosmico a microonde (CMB), sostanzialmente una specie di eco della prima luce comparsa nell’universo circa 400.000 anni dopo il Big Bang. Tuttavia, non stiamo vedendo questa luce com’era allora; la vediamo dopo che è passata attraverso gruppi di galassie ed è entrata nella Via Lattea, con l’aggiunta di luce proveniente da altre fonti. Per ottenere qualcosa di utile dai dati CMB, gli astronomi devono sottrarre tutto ciò che non è primordiale; sono molto bravi in questo ma potrebbe esserci ancora spazio per una distorsione sistematica nel modo in cui viene fatta la sottrazione.
Le misurazioni basate su oggetti più vicini, quelle che producono un’età leggermente più giovane per l’universo, vengono effettuate utilizzando la luce di supernove di tipo Ia, che sono le esplosioni di oggetti super densi chiamati nane bianche; le pulsazioni di stelle molto grandi; e la distorsione gravitazionale della luce mentre passa dalle galassie. Ogni tipo di misurazione ha il proprio set di errori sistematici che devono essere corretti. Vale anche la pena notare che anche se i loro valori dei parametri di Hubble sono vicini l’uno all’altro, comunque non sono d’accordo. In altre parole, tutte queste osservazioni sono abbastanza complesse che i loro risultati non sono completamente risolti.
Sono in corso nuovi tipi di osservazione, che potrebbero aiutare a identificare dove esistono distorsioni nelle misurazioni dei parametri di Hubble. Rimuovere questi pregiudizi potrebbe portare i numeri calcolati per il parametro di Hubble ad essere in accordo.
E se i numeri fossero giusti?
Ciò potrebbe essere indicativo di alcuni fenomeni precedentemente sconosciuti nell’universo primordiale, dall’epoca precedente alla formazione dei primi atomi. Forse l’energia oscura, che pensiamo stia attualmente guidando l’accelerazione dell’espansione cosmica, ha giocato un ruolo molto prima di quanto la maggior parte dei cosmologi pensi. Forse ci sono particelle extra che erano importanti quando l’universo era più piccolo e più denso, ma la cui influenza si è diluita nel corso dei miliardi di anni.
Nessuna di queste possibilità è perfetta, ma qualunque sia la risposta giusta, è un grosso problema.
“Non ho una sfera di cristallo ma penso che queste misurazioni siano davvero difficili“, dice Kosowsky. Tuttavia, la sua cautela non significa che non sarebbe felice di sbagliarsi. “Sto facendo il tifo perché emerga che questa incertezza in realtà ci sta mostrando qualcosa di eccitante sulla cosmologia“.
