Le “sirene oscure” e il mistero della costante cosmologica di Hubble

Grazie alle osservazioni effettuate sulle stelle variabili Cefeidi, alcuni cosmologi hanno prodotto misurazioni nuove misurazioni altamente precise della costante cosmologica di Hubble. Ma un metodo alternativo che si basa sulla "luce fossile" emessa 380.000 anni dopo il Big Bang, nota come fondo cosmico a microonde (CMB), offre una risposta completamente diversa

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I cosmologi sono davanti a una crisi senza precedenti: il valore della costante cosmologica di Hubble. (Edwin Hubble era l’astronomo americano che per primo ne calcolò il valore negli anni ’20). L’universo si sta espandendo rapidamente e metodi di calcolo diversi portano a valori altrettanto diversi della velocità della sua espansione.

La crisi potrebbe essere risolta da una singola osservazione di quelle che sono conosciute con il nome di “sirene oscure” o “coalescenze binarie compatte senza controparte elettromagnetica”. In parole povere la fusione di buchi neri binari o stelle di neutroni binarie possono produrre onde gravitazionali rilevabili dai rilevatori installati sulla Terra.

Queste “sirene oscure” non sono visibili nello spettro elettromagnetico, quindi impossibili da rilevare ai normali telescopi e radiotelescopi. Tuttavia la loro presenza potrebbe risolvere definitivamente la crisi della costante cosmologica di Hubble.

Con il passare del tempo il cosmo si espande e trascina con se le galassie che si allontanano sempre di più le une dalle altre, la loro velocità di allontanamento o “costante cosmologica di Hubble” dipende dalla loro distanza. Velocità e distanza sono quindi legate da una profonda relazione.

Grazie alle osservazioni effettuate sulle stelle variabili Cefeidi, alcuni cosmologi hanno prodotto misurazioni nuove misurazioni altamente precise della costante cosmologica di Hubble. Ma un metodo alternativo che si basa sulla “luce fossile” emessa 380.000 anni dopo il Big Bang, nota come fondo cosmico a microonde (CMB), offre una risposta completamente diversa.



“Dark sirens” e la costante cosmologica di Hubble

Oggetti dotati di una massa enorme come i buchi neri o le stelle di neutroni deformano enormemente il tessuto spaziotemporale. Se oggetti cosi massicci collidono fondendosi in un unico oggetto, l’energia dell’impatto produce onde gravitazionali.

Questi scontri apocalittici sono monitorati dal 2015 dal dispositivo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti e dalla sua controparte europea Virgo. Questi strumenti sono in grado di rilevare le onde gravitazionali prodotte da eventi distanti miliardi di anni luce.

Le onde gravitazionali sono tanto più flebili quanto più sono distanti e questo permette a LIGO e VIGO di calcolare la distanza dell’evento che le ha prodotte. In alcune occasioni le onde gravitazionali sono associate a un lampo di luce che gli astronomi possono osservare con i loro telescopi, calcolando la velocità con cui si stanno allontanando da noi.

Fino ad oggi gli astronomi hanno rilevato un solo evento con emissioni sia di onde gravitazionali che di luce, una coppia di stelle di neutroni scoperte nel 2017 sia nei rivelatori di LIGO che in altri telescopi. Da questa osservazione, i fisici hanno calcolato un valore per la costante cosmologica di Hubble, sebbene le barre di errore sulla misurazione siano abbastanza grandi da sovrapporsi sia ai risultati provenienti dalle Cefeidi che a quelli della CMB.

Uno studio precedente ha dimostrato che sarebbero necessari circa 50 eventi come questo, che sono abbastanza rari, al fine di ottenere un calcolo più preciso della costante cosmologica di Hubble.

Le sirene scure consentono invece un calcolo più preciso osservando un minor numero di eventi. Queste fusioni non sono associate a emissioni di lampi di luce, che contengono le informazioni fondamentali sulla velocità di recessione. Questi eventi, rilevabili solamente attraverso le onde gravitazionali, sono i segnali più comuni rilevati da LIGO e in altre strutture.

Studiare le sirene oscure

Entro i prossimi 5 anni i rilevatori di LIGO verranno aggiornati e riusciranno cosi a estrarre molti più dettagli dalle onde gravitazionali e a rilevare un numero maggiore di eventi. Ai rilevatori statunitensi ed europee si è recentemente aggiunto il Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) in Giappone. A questi si aggiungerà nel 2024 un nuovo rilevatore di onde gravitazionali costruito in India.

Quando entreranno in servizio i nuovi dispositivi sarà possibile rilevare le “sirene oscure” 40.000 con più precisione di oggi. Grazie a informazioni dettagliate, gli astronomi potranno identificare una galassia nel luogo esatto in cui si è verificata la fusione e quindi determinare la velocità con cui quella galassia si allontana dalla Terra.

Un team di ricercatori ha dimostrato che le fusioni tra oggetti pesanti e di massa disuguale, che chiamano “sirene scure dorate”, saranno particolarmente ricchi di informazioni, producendo dati che potrebbero definire le onde gravitazionali così bene da permettere di calcolare la costante cosmologica di Hubble con estrema precisione.

LIGO, VIRGO e gli altri rilevatori disseminati in tutto il mondo dovrebbero iniziare a vedere molti altri eventi ben localizzati nel prossimo futuro. Ma è possibile che altre misurazioni possano risolvere la crisi sulla costante cosmologica di Hubble prima che lo facciano le misurazioni sulle sirene oscure

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