Il nostro universo si sta espandendo, ma i nostri due modi principali per misurare la velocità con cui sta avvenendo questa espansione hanno portato a risposte diverse.
Negli ultimi dieci anni, gli astrofisici si sono gradualmente divisi in due campi: uno che crede che la differenza sia significativa e un altro che pensa che possa essere dovuta a errori di misurazione.
Se si scoprisse che la mancata corrispondenza dipende da errori, ciò confermerebbe il nostro modello di base di come funziona l’universo.
L’altra possibilità presenta un filo che, una volta tirato, suggerirebbe che potrebbe essere necessaria una nuova fisica fondamentale mancante per ricucirlo insieme.
Per diversi anni, ogni nuova prova ha fatto oscillare l’argomento avanti e indietro, dando origine a quella che è stata chiamata la “tensione di Hubble“.
Wendy Freedman, un rinomato astronomo e professore di Astronomia e Astrofisica della John and Marion Sullivan University presso l’Università di Chicago, ha effettuato alcune delle misurazioni originali del tasso di espansione dell’universo che hanno portato a un valore più alto della costante di Hubble.
Ma in un nuovo articolo di revisione accettato dall’Astrophysical Journal, Freedman offre una panoramica delle osservazioni più recenti. La sua conclusione: le ultime osservazioni iniziano a colmare il divario.
Cioè, dopotutto potrebbe non esserci un conflitto e il nostro modello standard dell’universo non ha bisogno di essere modificato in modo significativo.
Costante di Hubble e tensione di Hubble
La velocità con cui l’universo si sta espandendo è chiamata costante di Hubble, dal nome dell’astronomo Edwin Hubble, a cui è attribuito il merito di aver scoperto l’espansione dell’universo nel 1929.
Gli scienziati vogliono definire con precisione questa velocità, perché la costante di Hubble è legata all’età dell’universo e a come si è evoluta nel tempo.
Negli ultimi dieci anni, quando i risultati dei due principali metodi di misurazione hanno cominciato a divergere, è emersa una sostanziale incongruenza e gli scienziati stanno ancora discutendo sul significato della mancata corrispondenza.
Un modo per misurare la costante di Hubble è osservare la luce molto debole rimasta dal Big Bang, chiamata sfondo cosmico a microonde.
Ciò è stato fatto sia nello spazio che a terra con strutture come il South Pole Telescope guidato dall’Università di Chicago.
Gli scienziati hanno inserito queste osservazioni nel loro “modello standard” dell’universo primordiale facendolo poi avanzare nel tempo per prevedere quale dovrebbe essere la costante di Hubble oggi; a risposta ottenuta è di 67,4 chilometri al secondo per megaparsec.
L’altro metodo è guardare le stelle e le galassie nell’universo vicino e misurare le loro distanze e la velocità con cui si stanno allontanando da noi. Freedman è stata uno dei maggiori esperti di questo metodo per molti decenni; nel 2001, il suo team ha effettuato una delle misurazioni fondamentali utilizzando il telescopio spaziale Hubble per fotografare stelle chiamate Cefeidi.
Il valore che hanno trovato era 72.
Freedman ha continuato a misurare le Cefeidi negli anni successivi, rivedendo ogni volta più dati del telescopio; tuttavia, nel 2019, lei e i suoi colleghi hanno pubblicato una risposta basata su un metodo completamente diverso utilizzando stelle chiamate giganti rosse.
L’idea era di controllare il risultato dato dalle Cefeidi con un metodo indipendente.
Le giganti rosse sono stelle molto grandi e luminose che raggiungono sempre lo stesso picco di luminosità prima di svanire rapidamente. Se gli scienziati possono misurare con precisione la luminosità di picco reale, o intrinseca, delle giganti rosse, possono misurare le distanze dalle loro galassie ospiti, una parte essenziale ma difficile dell’equazione.
La domanda chiave è quanto siano accurate queste misurazioni.
La prima versione di questo calcolo nel 2019 ha utilizzato una singola galassia molto vicina per calibrare la luminosità delle stelle giganti rosse. Negli ultimi due anni, Freedman e i suoi collaboratori hanno analizzato i numeri di diverse galassie e popolazioni stellari.
“Ora ci sono quattro modi indipendenti per calibrare le luminosità della gigante rossa e concordano entro l’1% l’uno dall’altro“, ha affermato Freedman. “Questo ci indica che questo è un ottimo modo per misurare la distanza“.
“Volevo davvero guardare attentamente sia le Cefeidi che le giganti rosse. Conosco bene i loro punti di forza e di debolezza“, ha detto Freedman. “Sono giunta alla conclusione che non abbiamo bisogno di una nuova fisica fondamentale per spiegare le differenze nei tassi di espansione locali e distanti. I nuovi dati ricavati dalle giganti rosse sono coerenti”.
Lo studente laureato dell’Università di Chicago Taylor Hoyt, che ha effettuato misurazioni delle stelle giganti rosse nelle galassie di ancoraggio, ha aggiunto: “Continuiamo a misurare e testare le giganti rosse in modi diversi e continuano a superare le nostre aspettative“.
Il valore della costante di Hubble che il team di Freedman ottiene dalle giganti rosse è 69,8 km/s/Mpc, praticamente lo stesso del valore derivato dal fondo cosmico a microonde. “Non è necessaria una nuova fisica“, ha detto Freedman.
I calcoli che utilizzano le stelle Cefeidi danno ancora numeri più alti, ma secondo l’analisi di Freedman, la differenza potrebbe non essere preoccupante. “Le stelle Cefeidi sono sempre state un po’ più rumorose e un po’ più complicate da comprendere appieno; sono giovani stelle nelle regioni attive di formazione stellare delle galassie, e questo significa che c’è la possibilità che cose come la polvere o la contaminazione da altre stelle falsino le misurazioni”, ha spiegato.
Secondo lei, il conflitto può essere risolto con dati migliori.
L’anno prossimo, quando è previsto il lancio del telescopio spaziale James Webb, gli scienziati inizieranno a raccogliere queste nuove osservazioni. Freedman e i suoi collaboratori hanno già ottenuto del tempo sul telescopio per un importante programma per effettuare più misurazioni sia delle Cefeidi che delle giganti rosse. “Il Webb ci darà maggiore sensibilità e risoluzione e i dati miglioreranno molto, molto presto“, ha affermato.
Ma nel frattempo, ha voluto dare un’occhiata attenta ai dati esistenti, e quello che ha scoperto è che gran parte di essi è effettivamente coerente.
“Questo è il modo in cui procede la scienza“, ha detto Freedman. “Dai un calcio alle gomme per vedere se qualcosa si sgonfia, e finora niente gomme a terra“.
Alcuni scienziati che hanno fatto il tifo per una discrepanza fondamentale potrebbero rimanere delusi. Ma per Freedman, entrambe le risposte sono entusiasmanti.
“C’è ancora spazio per una nuova fisica, ma anche se non ci fosse, dimostrerebbe che il modello standard che abbiamo è sostanzialmente corretto, il che è anche una conclusione importante a cui arrivare“, ha detto.
“Questa è la cosa interessante della scienza: non conosciamo le risposte in anticipo. Stiamo imparando mentre procediamo. È un momento davvero emozionante per essere in campo”.
Riferimento: “Measurements of the Hubble Constant: Tensions in Perspective” di Wendy Freedman, Accepted, The Astrophysical Journal .
arXiv:2106.15656
