“La costante di Hubble è costante ovunque nello spazio in un determinato momento, ma non è costante nel tempo“. Così dice Chris Fassnacht, professore di fisica alla UC Davis sull’attuale crisi della cosmologia, o “tensione“, sulla comprensione del tasso di espansione dell’universo – noto come “Costante di Hubble“.
“Quindi, quando confrontiamo le Costanti di Hubble ottenute con metodologie diverse, stiamo confrontando l’universo primordiale (usando osservazioni distanti) rispetto alla parte più tardiva e moderna dell’universo (usando osservazioni locali e vicine)“, chiarisce.
Un gruppo di astronomi dell’Università della California, ha ottenuto nuovi dati che suggeriscono che l’universo si sta espandendo più rapidamente del previsto. Lo studio prende le mosse dall’acceso dibattito su quanto velocemente l’universo si sta espandendo; le varie misurazioni effettuate finora sono in disaccordo.
Risolvere il mistero della costante di Hubble con l’ottica adattiva (AO) del WM Keck Observatory
La nuova misurazione della costante di Hubble, o del tasso di espansione dell’universo, prevedeva un metodo diverso. Hanno usato l’Hubble Space Telescope (HST) della NASA in combinazione con il sistema AO (Adaptive Optics) dell’Osservatorio WM Keck Observatory per osservare tre sistemi con lenti gravitazionali. Questa è la prima volta che la tecnologia AO a terra è stata utilizzata per ottenere la costante di Hubble.
“Quando ho iniziato a lavorare su questo problema più di 20 anni fa, la strumentazione disponibile limitava la quantità di dati utili che si potevano ottenere dalle osservazioni“, afferma il coautore Fassnacht. “In questo progetto, stiamo usando l’AO dell’Osservatorio di Keck per la prima volta nell’analisi completa. Ho sentito per molti anni che le osservazioni AO potrebbero contribuire molto a questo sforzo“.
Per escludere qualsiasi pregiudizio, il team ha condotto un’analisi cieca; durante l’elaborazione, hanno tenuto nascosta la risposta finale anche a sé stessi fino a quando non sono stati convinti di aver affrontato tutte le possibili fonti di errore cui hanno potuto pensare. Ciò per evitare di apportare eventuali eventuali modifiche ai calcoli per raggiungere il valore “corretto”, evitando errori di conferma.
“Quando ci siamo convinti di avere analizzato tutti i possibili problemi, abbiamo aperto la risposta, dandoci la regola di pubblicare qualunque valore avessimo trovato, anche se pazzesco“, afferma l’autore principale Geoff Chen, uno studente laureato presso il dipartimento di fisica della UC Davis.
Lo studio ha rivelato un valore coerente con le misurazioni della costante di Hubble prese dalle osservazioni di oggetti “locali” vicino alla Terra, come le supernove di tipo Ia vicine o i sistemi con lenti gravitazionali; Il team di Chen ha usato questi ultimi oggetti nella loro analisi alla cieca.
I risultati del team si aggiungono alla crescente evidenza che esiste un problema con il modello cosmologico standard, che mostra che l’universo si stava espandendo molto rapidamente all’inizio della sua storia, quindi l’espansione ha rallentato a causa dell’attrazione gravitazionale della materia oscura, e ora l’espansione sta accelerando di nuovo a causa dell’energia oscura, una forza misteriosa.
Il modello standard della storia dell’espansione dell’universo deriva dalle misurazioni tradizionali della costante di Hubble, tratte da osservazioni “distanti” del fondo cosmico a microonde (CMB).
Di recente, molti gruppi hanno iniziato a utilizzare tecniche diverse e studiare diverse parti dell’universo per ottenere la costante di Hubble e hanno scoperto che il valore ottenuto da osservazioni “locali” e i valori ricavati attraverso osservazioni “distanti” non concordano.
Ciò suggerisce che o c’è un problema con le misurazioni della CMB, che il team ritiene improbabile, o che il modello standard di cosmologia deve essere modificato in qualche modo usando una nuova fisica per correggere la discrepanza.
Metodologia di imaging
L’immagine di copertina è stata creata utilizzando il sistema AO dell’Osservatorio di Keck con la telecamera al vicino infrarosso, strumento di seconda generazione (NIRC2) sul telescopio Keck II. Chen e il suo team hanno ottenuto misurazioni locali di tre noti sistemi quasar con lenti gravitazionali: PG1115 + 080, HE0435-1223 e RXJ1131-1231.
I quasar sono galassie estremamente luminose e attive, spesso con getti massicci alimentati da un buco nero supermassiccio che mangia avidamente il materiale che lo circonda.
Sebbene i quasar siano spesso molto lontani, gli astronomi sono in grado di rilevarli attraverso la lente gravitazionale, un fenomeno che funge da lente d’ingrandimento della natura. Quando una galassia sufficientemente massiccia si frappone tra la luce emessa da un quasar molto distante e la Terra, questa galassia può fungere da obiettivo; il suo campo gravitazionale deforma lo spazio stesso, piegando la luce del quasar sullo sfondo in più immagini e rendendola più luminosa.
A volte, la luminosità del quasar sfarfalla e poiché ogni immagine corrisponde a una lunghezza del percorso leggermente diversa dal quasar al telescopio, gli sfarfallii appaiono in momenti leggermente diversi per ogni immagine: non arrivano tutti sulla Terra allo stesso tempo.
Con HE0435-1223, PG1115 + 080 e RXJ1131-1231, il team ha misurato con cura quei ritardi, che sono inversamente proporzionali al valore della costante di Hubble. Ciò consente agli astronomi di decodificare la luce di questi lontani quasar e raccogliere informazioni su quanto l’universo si è espanso durante il tempo in cui la luce si è diretta verso la Terra.
“Uno degli ingredienti più importanti nell’uso della lente gravitazionale per misurare la costante di Hubble è l’imaging sensibile e ad alta risoluzione“, ha affermato Chen. “Fino ad ora, le migliori misurazioni della costante di Hubble sono state tutte coinvolte utilizzando i dati dell’HST. Abbiamo trovato due cose. Innanzitutto, avevamo valori coerenti con le misurazioni precedenti basate su dati HST, a dimostrazione del fatto che i dati AO possono fornire una potente alternativa ai dati HST in futuro. In secondo luogo, abbiamo scoperto che la combinazione dei dati AO e HST ha dato un risultato più preciso“.
Prossimi passi
Chen e il suo team, così come molti altri gruppi in tutto il pianeta, stanno facendo ulteriori ricerche e osservazioni per indagare ulteriormente. Ora che il team di Chen ha dimostrato che il sistema AO dell’Osservatorio di Keck è altrettanto potente dell’HST, gli astronomi possono aggiungere questa metodologia alle metodologie per misurare la costante di Hubble.
“Ora possiamo provare questo metodo con più sistemi quasar osservabili con le lenti gravitazionali per migliorare la precisione della nostra misurazione della costante di Hubble. Forse questo ci condurrà a un modello cosmologico più completo“, afferma Fassnacht.