Più di 90 anni fa, l’astronomo Edwin Hubble osservò il primo indizio della velocità di espansione dell’universo, chiamata, da allora, costante di Hubble.
Quasi immediatamente, gli astronomi hanno iniziato a discutere sul valore effettivo di questa costante e, nel tempo, si sono resi conto che c’è una discrepanza in questo numero tra le osservazioni dell’universo primordiale e quelle dell’universo contemporaneo.
All’inizio dell’esistenza dell’universo, la luce si muoveva attraverso il plasma – non c’erano ancora stelle – e dalle oscillazioni simili alle onde sonore create da questo passaggio, gli scienziati hanno dedotto che la costante di Hubble era di circa 67. Ciò significa che l’universo si espanderebbe di circa 67 chilometri al secondo più velocemente ogni 3,26 milioni di anni luce.
Ma il risultato di questa osservazione cambia quando gli scienziati guardano alla vita successiva dell’universo, dopo la nascita delle stelle e la formazione delle galassie. La gravità di questi oggetti provoca la cosiddetta lente gravitazionale, che distorce la luce tra una sorgente lontana e il suo osservatore.
Altri fenomeni in questo universo tardo includono esplosioni estreme ed eventi legati alla fine della vita di una stella. Sulla base di queste successive osservazioni, gli scienziati hanno calcolato un valore diverso, circa 74. Questa discrepanza è chiamata tensione di Hubble.
Ora, un team internazionale che include un fisico dell’Università del Michigan ha analizzato un database di oltre 1.000 esplosioni di supernovae, supportando l’idea che la costante di Hubble potrebbe non essere effettivamente costante.
Invece, sembrerebbe cambiare in base all’espansione dell’universo, crescendo man mano che l’universo si espande. Questa spiegazione richiede probabilmente una nuova fisica per spiegare il crescente tasso di espansione, come una versione modificata della gravità di Einstein.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sull’Astrophysical Journal.
“Il punto è che sembra esserci una tensione tra i valori più grandi per le osservazioni dell’universo tardo e valori più bassi per l’osservazione dell’universo iniziale“, ha affermato Enrico Rinaldi, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica UM. “La domanda che ci siamo posti in questo articolo è: cosa succede se la costante di Hubble non fosse costante? E se cambiasse davvero?”
Candele standard e redshift per misurare la costante di Hubble
I ricercatori hanno utilizzato un set di dati di supernova, esplosioni spettacolari che segnano la fase finale della vita di una stella. Quando brillano, emettono un tipo specifico di luce. Nello specifico, i ricercatori stavano esaminando le supernove di tipo Ia.
Questi tipi di stelle di supernova sono stati usati per scoprire che l’universo si stava espandendo e accelerando, ha detto Rinaldi, e sono conosciuti come “candele standard“, come una serie di fari con la stessa lampadina. Se gli scienziati conoscono la loro luminosità, possono calcolare la loro distanza osservando la loro intensità nel cielo.
Successivamente, gli astronomi usano il cosiddetto “redshift” per calcolare come il tasso di espansione dell’universo potrebbe essere aumentato nel tempo. Redshift è il nome del fenomeno che si verifica quando la lunghezza d’onda della luce si estende mentre l’universo si espande.
L’essenza dell’osservazione originale di Hubble è che più ci si allontana dall’osservatore, più la lunghezza d’onda si allunga. Redshift e distanza sono correlati.
Nello studio del team di Rinaldi, ogni gruppo di stelle ha un valore di riferimento fisso di redshift. Confrontando il redshift dei gruppi, i ricercatori possono estrarre la costante di Hubble per ciascuno.
Nella loro analisi, i ricercatori hanno separato queste stelle in base a intervalli di redshift. Hanno messo le stelle a un intervallo di distanza in un “bin”, quindi un numero uguale di stelle al successivo intervallo di distanza in un altro contenitore, e così via. Più il gruppo è vicino alla Terra, più giovani sono le stelle.
“Se fosse una costante, non dovrebbe cambiare quando la estraiamo da gruppi a distanze diverse. Ma il nostro risultato principale è che in realtà il valore della costante di Hubble cambia con la distanza“, ha detto Rinaldi.
“La tensione della costante di Hubble può essere spiegata da una dipendenza intrinseca di questa costante dalla distanza degli oggetti esaminati.
Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che la loro analisi del cambiamento della costante di Hubble con il redshift consente loro di “collegare” senza problemi il valore della costante dalle sonde dell’universo primordiale e il valore dalle sonde dell’universo tardo, ha detto Rinaldi.
“I parametri estratti sono ancora compatibili con il modello cosmologico standard che abbiamo“, ha detto. “Ma questa volta si spostano un po’ mentre cambiamo la distanza, e questo piccolo spostamento è sufficiente per spiegare perché abbiamo questa tensione“.
I ricercatori affermano che ci sono diverse possibili spiegazioni per questo apparente cambiamento nella costante di Hubble, una delle quali è la possibilità di distorsioni osservative nel campione di dati.
Per aiutare a correggere potenziali distorsioni, gli astronomi stanno usando l’Hyper Suprime-Cam sul telescopio Subaru per osservare le supernove più deboli su una vasta area. I dati di questo strumento aumenteranno il campione di supernove osservate da regioni remote e ridurranno l’incertezza nei dati.
Riferimento: “On the Hubble Constant Tension in the SNe Ia Pantheon Sample” di MG Dainotti, B. De Simone, T. Schiavone, G. Montani, E. Rinaldi e G. Lambiase, 17 maggio 2021, Astrophysical Journal .
DOI: 10.3847/1538-4357/abeb73
Il team era guidato da Maria Dainotti, assistente professore presso l’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone e la Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI in Giappone e uno scienziato affiliato allo US Space Science Institute. Rinaldi è anche ricercatore presso il Laboratorio di fisica quantistica teorica e il programma Interdisciplinare di scienze teoriche e matematiche presso l’istituto di ricerca RIKEN in Giappone.
Tra i ricercatori figurano Biagio De Simone, ex studente di master all’Università di Salerno; Tiziano Schiavone, laureando all’Università di Pisa; Giovanni Montani, professore a contratto presso l’Università di Roma “La Sapienza” e ricercatore presso l’ENEA; Gaetano Lambiase, professore all’Università di Salerno.
