I cosmologi sono attivamente alla ricerca di una “nuova fisica” che possa risolvere l’enigma del nostro Universo in rapida espansione. I quasar, che sono antichi nuclei di galassie in cui un buco nero supermassiccio sta attivamente estraendo materia dall’ambiente circostante a velocità molto intense, potrebbero essere la chiave per risolvere il mistero.
I quasar luminosi, come quello che si vede nell’immagine di copertina, conosciuto come la “tazza da tè” sepolto al centro della sua galassia ospite, eclissano il loro ospite e possono essere facilmente rilevati a distanze estreme nell’universo primordiale. Indagando sulla storia del nostro cosmo con un ampio campione di galassie “attive” lontane osservate dall’XMM-Newton dell’ESA nel 2019, un team di astronomi ha scoperto che potrebbe esserci di più nella prima espansione dell’universo rispetto a quanto previsto dal modello standard della cosmologia.
Il mistero che guida l’espansione dell’universo
Secondo lo scenario principale, il nostro universo contiene solo una piccola percentuale di materia ordinaria. Un quarto del cosmo è costituito dalla sfuggente materia oscura, che possiamo sentire gravitazionalmente ma non osservare, e il resto è costituito dall’ancora più misteriosa energia oscura che sta guidando l’attuale accelerazione dell’espansione dell’universo.
Utilizzo di galassie attive per misurare l’espansione cosmica. ESA (impressione e composizione dell’artista); NASA/ESA/Hubble (galassie di sfondo); CC BY-SA 3.0 IGO
Questo modello si basa su una moltitudine di dati raccolti negli ultimi due decenni, dal fondo cosmico a microonde, o CMB, la prima luce nella storia del cosmo, rilasciata 380.000 anni dopo il big bang e osservata con dettagli senza precedenti da La missione Planck dell’ESA. Questi ultimi includono esplosioni di supernova, ammassi di galassie e la distorsione gravitazionale impressa dalla materia oscura su galassie lontane e possono essere usati per tracciare l’espansione cosmica negli ultimi nove miliardi di anni.
Uno studio del 2019, condotto da Guido Risaliti dell’Università di Firenze, Italia, ed Elisabeta Lusso della Durham University, Regno Unito, indica un altro tipo di tracciante cosmico – i quasar – che colmerebbe parte del divario tra queste osservazioni, misurando l’espansione del universo fino a 12 miliardi di anni fa.
Utilizzo dei quasar per sondare l’espansione dell’universo
I quasar sono i nuclei delle galassie in cui un buco nero supermassiccio attivo sta attirando la materia dall’ambiente circostante a velocità molto alte, risplendendo brillantemente attraverso lo spettro elettromagnetico. Quando il materiale cade sul buco nero, forma un disco vorticoso che si irradia nella luce visibile e ultravioletta; questa luce, a sua volta, riscalda gli elettroni vicini, generando raggi X.
Guido ed Elisabeta si resero conto che una ben nota relazione tra la luminosità dell’ultravioletto e dei raggi X dei quasar poteva essere utilizzata per stimare la distanza da queste sorgenti – cosa notoriamente complicata in astronomia – e, infine, per sondare la storia dell’espansione del universo.
Le sorgenti astronomiche le cui proprietà ci permettono di misurare le loro distanze sono chiamate “candele standard“.
La classe più notevole, nota come supernova di tipo Ia, consiste nella spettacolare scomparsa di nane bianche dopo che si sono rimpinzate di materiale proveniente da una stella compagna, generando esplosioni di prevedibile luminosità che consentono agli astronomi di individuare la loro distanza. Le osservazioni di queste supernove alla fine degli anni ’90 hanno rivelato l’espansione accelerata dell’universo negli ultimi miliardi di anni.
Con un considerevole campione di quasar a portata di mano, gli astronomi hanno messo in pratica il metodo ottenendo risultati intriganti, scavando nell’archivio XMM-Newton, hanno raccolto dati a raggi X per oltre 7000 quasar, combinandoli con osservazioni ottiche dallo Sloan Digital Sky Survey a terra.
Si tratta di quasar così distanti che la luce visibile rilevata qui sulla Terra corrisponde in realtà alla loro radiazione ultravioletta sostanzialmente spostata verso il rosso a causa dell’espansione cosmologica dell’universo.
I ricercatori hanno anche usato una nuova serie di dati, ottenuti appositamente con XMM-Newton nel 2017 per guardare quasar molto distanti, osservandoli com’erano quando l’universo aveva solo circa due miliardi di anni. Infine, hanno integrato i dati con un piccolo numero di quasar ancora più distanti e con alcuni relativamente vicini, osservati rispettivamente con gli osservatori a raggi X Chandra e Swift della NASA.
Il grafico sopra mostra le misurazioni della distanza da oggetti astronomici come le supernovae di tipo Ia (simboli ciano) e i quasar (simboli gialli, rossi e blu) che possono essere utilizzati per studiare la storia dell’espansione dell’universo.
“Un campione così ampio ci ha permesso di esaminare la relazione tra i raggi X e l’emissione ultravioletta dei quasar nei minimi dettagli, il che ha notevolmente affinato la nostra tecnica per stimare la loro distanza“, afferma Guido.
Le osservazioni XMM-Newton di quasar distanti sono così buone che il team ha persino identificato due gruppi diversi: il 70 percento delle sorgenti brilla di raggi X a bassa energia, mentre il restante 30 percento emette quantità inferiori di raggi X che sono caratterizzati da energie superiori. Per l’ulteriore analisi si è mantenuto solo il precedente gruppo di sorgenti, in cui appare più chiara la relazione tra l’emissione di raggi X e l’ultravioletto.
“È abbastanza straordinario che possiamo discernere un tale livello di dettaglio in fonti così lontane da noi che la loro luce ha viaggiato per più di dieci miliardi di anni prima di raggiungerci“, ha affermato Norbert Schartel, scienziato del progetto XMM-Newton presso l’ESA.
Dopo aver esaminato i dati e ridotto il campione a circa 1600 quasar, agli astronomi sono state lasciate le osservazioni migliori, che hanno portato a stime solide della distanza da queste sorgenti che potrebbero utilizzare per studiare l’espansione dell’universo.
L’energia oscura aumenta con il passare del tempo?
“Quando combiniamo il campione di quasar, che abbraccia quasi 12 miliardi di anni di storia cosmica, con il campione più locale di supernove di tipo Ia, che copre solo gli ultimi otto miliardi di anni circa, troviamo risultati simili nelle epoche sovrapposte“, afferma Elisabeta.
“Tuttavia, nelle fasi precedenti che possiamo sondare solo con i quasar, troviamo una discrepanza tra l’evoluzione osservata dell’universo e ciò che abbiamo previsto in base al modello cosmologico standard“.
Esaminando, con l’aiuto dei quasar, questo periodo della storia cosmica precedentemente poco esplorato gli astronomi hanno rivelato una possibile tensione nel modello standard della cosmologia, che potrebbe richiedere l’aggiunta di parametri extra per riconciliare i dati con la teoria.
“Una delle possibili soluzioni sarebbe invocare un’energia oscura in evoluzione, con una densità che aumenta con il passare del tempo“, afferma Guido.
Per inciso, questo particolare modello allevierebbe anche un’altra tensione che ha tenuto occupati i cosmologi ultimamente, riguardo alla costante di Hubble, l’attuale tasso di espansione cosmica. Questa discrepanza è stata trovata tra le stime della costante di Hubble nell’universo locale, basate sui dati delle supernovae – e, indipendentemente, sugli ammassi di galassie – e quelle basate sulle osservazioni di Planck del fondo cosmico a microonde nell’universo primordiale.
“Questo modello è piuttosto interessante perché potrebbe risolvere due enigmi contemporaneamente, ma dovremo esaminare molti altri modelli in dettaglio prima di poter risolvere questo enigma cosmico“, aggiunge Guido.
Il team intendei osservare ancora più quasar in futuro per perfezionare ulteriormente i risultati. Ulteriori indizi arriveranno anche dalla missione Euclid dell’ESA, prevista per il 2022 per esplorare gli ultimi dieci miliardi di anni di espansione cosmica e indagare sulla natura dell’energia oscura.
L’ultima parola
“Sono un po’ cauto sull’interpretazione di questi risultati. In particolare, non credo sia ancora ampiamente accettato che i quasar possano fungere da candele standard (o standardizzabili), il che sarebbe un passaggio necessario per il loro utilizzo come sonda della storia dell’espansione cosmica“, ha commentato il cosmologo della Columbia University, Colin Hill. Hill analizza i dati cosmologici per cercare prove di nuova fisica, concentrandosi sulla radiazione cosmica di fondo a microonde. È membro dell’Atacama Cosmology Telescope, dell’Osservatorio Simons e delle collaborazioni CMB-S4.
“Se una tale standardizzazione delle loro luminosità assolute potrà essere dimostrata in modo robusto“, ha spiegato Hill, “allora i risultati sarebbero interessanti. Per ora, vorrei esercitare una certa cautela. Inoltre, non sono a conoscenza di alcun lavoro successivo che abbia mostrato in modo solido prove del tipo di energia oscura in evoluzione suggerita in quel lavoro. Tuttavia, stiamo continuando a cercare indizi verso tali prove di nuova fisica!”
