L’espansione dell’universo misurata con le lenti gravitazionali

Una collaborazione nell'ambito del progetto HoliCOW ha utilizzato sei di queste lenti per restringere la costante di Hubble, la misurazione del tasso di espansione dell'universo, a circa 73

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Gran parte della comunità scientifica non ha dubbi sull’espansione dell’universo, anche se esiste una discussione molto accesa sull’effettivo tasso di espansione in quanto le misurazioni che oggi vengono effettuate non sono in accordo.

Non conosciamo la velocità esatta alla quale l’Universo si stia espandendo. Le due misurazioni utilizzate dai cosmologi per scoprirlo conducono a risultati diversi.

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Il fisico di Leida David Harvey ha preso in prestito un terzo metodo di misurazione utilizzando una predizione del geniale fisico Albert Einstein, la deformazione della luce delle galassie distanti indotta dalla gravità, il fenomeno è conosciuto come “lenti gravitazionali”.

Grazie all’astronomo Edwin Hubble sappiamo da quasi un secolo che l’universo è composto da un grande numero di galassie o “universi isola” in allontanamento tra loro.

Grazie alle intuizioni di Hubble oggi gli astronomi sanno che la luce delle galassie lontane subisce uno spostamento verso il rosso detto “red shift”. Tanto più distante è la galassia osservata, tanto più “rossa” è la luce che emette.

La velocità di espansione, che ha preso il nome di costante di Hubble, può essere misurata. Alcune supernove hanno una luminosità ben conosciuta; questo rende possibile calcolare la loro distanza dalla Terra e correlare tale distanza al loro spostamento verso il rosso o velocità di recessione.

Lo studio delle supernovae ci dice che per ogni megaparsec di distanza (un parsec è 3,3 anni luce), la velocità con cui le galassie si allontanano dal sistema solare, aumenta di 73 chilometri ogni secondo.

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Einstein e le lenti gravitazionali

Le misurazioni sempre più accurate del fondo cosmico a microonde, il residuo del bagliore nell’universo primordiale, hanno prodotto una diversa costante di Hubble: circa 67 chilometri al second, ampiamente discordante con la prima misurazione.

A cosa è dovuta questa differenza? La discrepanza potrebbe dirci qualcosa di nuovo sull’universo e la fisica? “Questo”, dice il fisico di Leida David Harvey, “è il motivo per cui è entrata in vista una terza misurazione, indipendente dalle altre due: lenti gravitazionali”.

La teoria della relatività generale di Albert Einstein prevede che una galassia, grazie alla sua massa può piegare il percorso della luce, proprio come fa una lente. 

Quando una galassia si trova di fronte a una sorgente di luce intensa, la luce viene piegata attorno ad essa e può giungere ai nostri strumenti di osservazione attraverso percorsi diversi, fornendo due, e talvolta anche quattro, immagini della stessa sorgente luminosa.

Nel 1964, l’astrofisico norvegese Sjur Refsdal ha osservato qualcosa di strano, una galassia osservata attraverso una lente gravitazionale era fuori centro e un’immagine impiegava così più tempo per percorrere la distanza che la separava dalla Terra rispetto all’altra.

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Quando un quasar mostra questo tipo di variazione luminosa le due immagini prodotte dalla lente gravitazionale potrebbero arrivare con una differenza temporale di giorni all’occhio dell’osservatore.

Osservare l’intero cielo

Questa differenza che ha mostrato Refsdal, può essere utilizzata per definire le distanze dal quasar e dall’obiettivo. Confrontandoli con lo spostamento verso il rosso dei quasar si ottiene una misurazione indipendente della costante di Hubble.

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Una collaborazione nell’ambito del progetto HoliCOW ha utilizzato sei di queste lenti per restringere la costante di Hubble a circa 73.

Tuttavia, ci sono complicazioni: a parte la differenza di distanza, la massa della galassia in primo piano esercita un effetto di ritardo, a seconda dell’esatta distribuzione di massa.

“Devi modellare quella distribuzione, ma rimangono molte incognite”, afferma Harvey. Incertezze come questa limitano l’accuratezza di questa tecnica.

La situazione potrebbe cambiare quando l’Osservatorio Vera Rubin verrà inaugurato. Questo strumento sarà dedicato all’osservazione dell’intero cielo ogni poche notti e si prevede che osservi migliaia di quasar doppi, offrendo la possibilità di restringere ulteriormente il valore della costante di Hubble.

Harvey spiega: “Il problema è che modellare individualmente tutte quelle galassie in primo piano è impossibile dal punto di vista computazionale”. Per questo Harvey ha progettato un metodo per calcolare l’effetto medio di una distribuzione completa fino a 1.000 lenti.

“In tal caso, le stranezze individuali delle lenti gravitazionali non sono così importanti e non devi fare simulazioni per tutte le lenti. Devi solo assicurarti di modellare l’intera popolazione”, dice Harvey.

“Nel documento, mostro che con questo approccio, l’errore nelle soglie della costante di Hubble al 2% quando ci si avvicina a migliaia di quasar”.

Questo margine di errore consentirà un confronto significativo tra i diversi candidati alla costante di Hubble e potrebbe spiegarne la discrepanza. “E se vuoi scendere al di sotto del 2%, devi migliorare il tuo modello eseguendo simulazioni migliori. La mia ipotesi è che questo sarebbe possibile”.