Una discrepanza tra le diverse misurazioni della costante di Hubble fa sì che gli scienziati si chiedano se qualcosa non va nella nostra comprensione dell'universo
Di Jessica Atlee
Pochi numeri sono passati sotto la pelle degli astronomi come la costante di Hubble. In effetti, gli esperti hanno discusso del valore di questo singolo parametro per 90 anni, e per buoni motivi.
La costante di Hubble (H0) prende il nome dall’astronomo Edwin Hubble. E gli astronomi usano questo valore per fare una varietà di stime cosmologiche, soprattutto riguardanti il tasso di espansione e l’età dell’universo.
Se gli astronomi riusciranno a misurare questo singolo valore con grande precisione, saranno un passo avanti nella risoluzione di alcuni degli altri grandi misteri astronomici della nostra epoca. C’è solo un problema: i vari calcoli effettuati per attribuirgli una valore hanno dato ogni volta un risultato diverso.
La collaborazione SH0ES (Supernova H0 per l’Equazione di Stato), guidata da Adam Riess della Johns Hopkins University, ha nuovamente misurato con precisione la costante di Hubble. Ma il valore da loro ricavato è del 9% più grande di quello che è ampiamente accettato nella comunità astronomica.
E la probabilità che quella discrepanza del 9% sia un colpo di fortuna, a causa di un puro errore statistico, è improbabile, solo 1 su 100.000. Il che solleva la domanda: chi ha ragione?
“La posta in gioco non potrebbe essere più alta“, afferma Brian Keating, direttore della collaborazione dell’Osservatorio Simons, uno dei numerosi team che sperano di migliorare la misurazione della costante di Hubble. “Questo è uno dei dibattiti più antichi in cosmologia: quanti anni ha l’universo è direttamente correlato all’inverso della costante di Hubble. Quindi… Se accettiamo un valore più elevato della costante di Hubble, la conseguenza e che l’universo sia più giovane di quasi un miliardo di anni“.
I disaccordi sulla costante di Hubble non sono nuovi. Quando Edwin Hubble pubblicò la sua misura dell’espansione dell’universo nel 1929, predisse un tasso di espansione sette volte maggiore di quello che è ampiamente accettato oggi. Quasi un secolo dopo, la tensione attorno a questo valore è ancora molto reale.
“Abbiamo tanta tensione e ansia sul campo che la cosa che ci aiuterebbe di più è un buon psicoterapeuta“, dice Keating con una risata.
Negli ultimi anni, gli astronomi si sono avvicinati più che mai alla misurazione di un valore con una precisione compresa tra l’uno e il due percento. Ma con il miglioramento delle misurazioni, lievi differenze che non avevano avuto importanza in passato sono diventate significative.
Al momento gli astronomi accettano ampiamente una costante di Hubble di 67,4 chilometri al secondo per megaparsec (Ciò significa che la galassia media che si trova a 10 megaparsecs dalla Terra si sta allontanando da noi ad una velocità di 674 km/s). Ma il team SH0ES ha calcolato un valore di 74,03 km/s/Mpc. La differenza è sufficiente per lasciare molti astronomi a chiedersi se comprendiamo il nostro universo quanto pensavamo.
Le due squadre misurano la costante di Hubble in diversi modi. un gruppo utilizza le misurazioni del Cosmic Microwave Background rilevate dal satellite Planck. Questo dice agli astronomi quanto velocemente l’universo si stava espandendo 380.000 anni dopo il Big Bang. Da ciò, prevedono la velocità con cui l’universo dovrebbe espandersi oggi, oltre 13 miliardi di anni dopo.
Il team SH0ES, d’altra parte, osserva oggetti più giovani, come stelle variabili (stelle con un livello di luminosità variabile) e supernovae. Innanzitutto, calcolano la distanza di quegli oggetti dalla Terra. Quindi calcolano la velocità con cui questi oggetti si allontanano usando lo spostamento Doppler, che consente loro di misurare la costante di Hubble.
In linea di principio, questi due diversi metodi dovrebbero produrre lo stesso valore per la costante di Hubble. Non è così. Questo significa che c’è qualcosa di leggermente sbagliato nel modello dell’universo usato dagli astronomi per prevedere la costante di Hubble dal CMB. Adam Riess lo descrive così:
“È come se avessi un bambino di 2 anni e misuri la sua altezza. Potresti usare la tua comprensione di come le persone crescono, per prevedere la sua altezza da adulto”, afferma Riess. “Quindi dovresti misurare quanto è alto quell’adulto quando raggiunge la sua massima altezza. E saresti piuttosto stupito se fosse un metro più alto di quanto ti aspettavi. E questa è la situazione in cui ci troviamo“.
Un modo per risolvere questa discrepanza è quello di raccogliere più misurazioni per il confronto. Ed è esattamente quello che stanno facendo molte collaborazioni. Uno è la collaborazione di H0LiCOW (per obiettivi H0 nella sorgente di COSMOGRAIL), un team internazionale di cosmologi che studiano la curvatura della luce emessa da quasar distanti attorno a enormi ammassi di galassie per misurare la costante di Hubble in un terzo modo.
(In realtà, questo gruppo ha già terminato e pubblicato i suoi calcoli e, inopinatamente, hanno ottenuto un risultato ancora diverso da quelli precedentemente calcolati dopo la pubblicazione del presente articolo ma le conseguenze di questo terzo valore calcolato, non inficiano quanto contenuto nel seguito. Potete trovare informazioni sull’ultima pubblicazione qui).
“Questi due approcci non hanno nulla a che fare l’uno con l’altro,” afferma Riess “e questo aumenta la nostra fiducia che non dipenda solo da un semplice errore in uno dei passaggi“.
Le collaborazioni tra LIGO e VIRGO stanno tentando di misurare la costante di Hubble in un altro modo ancora: con le onde gravitazionali. I loro primi risultati determinano un valore di circa 70 km/s/Mpc, sostanzialmente dividendo la differenza tra le stime SH0ES e Planck, ma con un livello di incertezza maggiore.
Quindi resta da vedere chi ha ragione o se bisogna proprio ricominciare tutto da capo.
“Se dovessi scommettere i miei soldi, direi che qualcuno sta sottovalutando dettaglio e forse faccenda non è così grave come sembra essere“, afferma Arka Banerjee, postdoc di fisica presso la Stanford University, che ha tutto da guadagnare da una costante di Hubble più accurata, qualunque sia il valore, nella sua ricerca sulle particelle chiamate neutrini.
I neutrini hanno massa terribilmente piccola e la misura di questa massa è una grande domanda senza risposta nella fisica dei neutrini. La costante di Hubble può essere utilizzata per definire questa massa e potrebbe aiutare gli scienziati a determinare se esiste un tipo nascosto di neutrino che devono ancora scoprire.
Gli errori sistematici rappresentano una grande sfida quando si tratta di misurare la costante di Hubble, afferma Banerjee. E le due squadre con i più piccoli errori statistici sono le due che non sono d’accordo: Planck e SH0ES.
In definitiva, si tratta di aspettare di vedere quando collaborazioni come Simons Observatory, H0LiCOW, LIGO e altri riusciranno a raggiungere lo stesso livello di precisione e ciò che misurano nel processo.
“Non credo che arriveremo ad un punto in cui dovremo affermare che tutto in fisica è sbagliato“, Dice Riess. “Alla fine è solo una differenza del 9% su tutta la storia dell’universo. Per essere chiari, penso che la nostra comprensione di base delle cose sia giusta, ma c’è ancora qualche punto da affinare”
Fonte: Simmetry Magazine
