Uno studio dell’EPFL ha calibrato i migliori parametri cosmici con una precisione senza precedenti, gettando nuova luce sulla tensione di Hubble.
La tensione di Hubble, una discrepanza nel tasso di espansione cosmica (H0) tra i metodi di misurazione dell’Universo primordiale e dell’Universo tardivo, ha lasciato perplessi astrofisici e cosmologi. Uno studio del gruppo di ricerca Stellar Standard Candles and Distances presso l’Istituto di fisica dell’EPFL ha ottenuto la calibrazione più accurata delle stelle Cefeidi per le misurazioni della distanza, amplificando la tensione di Hubble. La discrepanza mette in discussione i concetti di base della fisica e ha implicazioni per la natura dell’energia oscura, il continuum spazio-temporale e la gravità .
L’Universo si sta espandendo, ma quanto velocemente? La risposta sembra dipendere dal fatto che si stimi il tasso di espansione cosmica – indicato come costante di Hubble, o H0 – in base all’eco del Big Bang (il fondo cosmico a microonde, o CMB) o si misuri H0 direttamente in base alle stelle e galassie di oggi. Questo problema, noto come tensione di Hubble, ha sconcertato astrofisici e cosmologi di tutto il mondo.
Questa immagine di Hubble mostra RS Puppis, un tipo di stella variabile nota come variabile Cefeide. RS Puppis varia in luminosità di quasi un fattore cinque ogni 40 giorni circa. RS Puppis è insolitoa; questa stella variabile è avvolta da spesse e scure nuvole di polvere che consentono di mostrare con straordinaria chiarezza un fenomeno noto come eco di luce. Crediti: NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration. Ringraziamenti: H. Bond (STScI e Penn State University); ESA/Hubble e ESO
La costante di Hubble (H0) prende il nome dall’astrofisico che, insieme a Georges Lemaître, scoprì il fenomeno alla fine degli anni ’20. Viene misurato in chilometri al secondo per megaparsec (km/s/Mpc), dove 1 Mpc corrisponde a circa 3,26 milioni di anni luce.
La migliore misurazione diretta di H0 utilizza una “scala della distanza cosmica“, il cui primo gradino è fissato dalla calibrazione assoluta della luminosità delle Cefeidi, ora ricalibrata dallo studio dell’EPFL.
A loro volta, le Cefeidi calibrano il gradino successivo della scala, dove le supernove – potenti esplosioni di stelle alla fine della loro vita – tracciano l’espansione dello spazio stesso. Questa scala di distanza, misurata dalle supernovae, H0, per il team Equation of State of dark energy (SH0ES) guidato da Adam Riess, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2011, pone H0 a 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.
Prima radiazione dopo il Big Bang
H0 può anche essere determinato interpretando la CMB, che è l’onnipresente radiazione a microonde rimasta dal Big Bang avvenuto più di 13 miliardi di anni fa. Tuttavia, questo metodo di misurazione dell'”Universo primordiale” deve presupporre la comprensione fisica più dettagliata di come si evolve l’Universo, rendendolo dipendente dal modello. Il satellite Planck dell’ESA ha fornito i dati più completi sulla CMB e, secondo questo metodo, H0 è 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.
La tensione di Hubble si riferisce a questa discrepanza di 5,6 km/s/Mpc, a seconda che venga utilizzato il metodo CMB (early Universe) o il metodo distance ladder (late Universe). L’implicazione, a condizione che le misurazioni eseguite in entrambi i metodi siano corrette, è che c’è qualcosa di sbagliato nella comprensione delle leggi fisiche fondamentali che governano l’Universo. Naturalmente, questo importante problema sottolinea quanto sia essenziale che i metodi degli astrofisici siano affidabili.
La scala della distanza cosmica. Crediti: NASA, ESA, A. Feild (STScI) e A. Riess (STScI/JHU)
Il nuovo studio dell’EPFL è così importante perché rafforza il primo gradino della scala delle distanze migliorando la calibrazione delle Cefeidi come rilevatori di distanza. In effetti, la nuova calibrazione ci consente di misurare le distanze astronomiche entro ± 0,9%, e questo fornisce un forte supporto alla misurazione dell’Universo tardo. Inoltre, i risultati ottenuti all’EPFL, in collaborazione con il team SH0ES, hanno contribuito a perfezionare la misurazione H0, con conseguente miglioramento della precisione e maggiore significatività della tensione di Hubble.
“Il nostro studio conferma il tasso di espansione di 73 km/s/Mpc, ma, cosa ancora più importante, fornisce anche le calibrazioni più precise e affidabili delle Cefeidi come strumenti per misurare le distanze fino ad oggi”, afferma Anderson.
“Abbiamo sviluppato un metodo che cercava Cefeidi appartenenti ad ammassi stellari composti da diverse centinaia di stelle testando se le stelle si muovono insieme attraverso la Via Lattea. Grazie a questo trucco, potremmo trarre vantaggio dalla migliore conoscenza delle misurazioni della parallasse di Gaia, beneficiando al tempo stesso del guadagno in precisione fornito dalle numerose stelle membri dell’ammasso. Questo ci ha permesso di spingere al limite la precisione delle parallassi di Gaia e fornisce la base più solida su cui poggiare la scala delle distanze”.
Ripensare i concetti di base
Perché è importante una differenza di pochi km/s/Mpc, data la vasta scala dell’Universo? “Questa discrepanza ha un enorme significato“, afferma Anderson. “Supponi di voler costruire un tunnel scavando in due lati opposti di una montagna. Se hai capito bene il tipo di roccia e se i tuoi calcoli sono corretti, allora le due buche che stai scavando si incontreranno al centro. Ma se non lo fanno, significa che hai commesso un errore: o i tuoi calcoli sono sbagliati o ti sbagli sul tipo di roccia. Questo è quello che sta succedendo con la costante di Hubble. Più conferme otteniamo che i nostri calcoli sono accurati, più possiamo concludere che la discrepanza significa che la nostra comprensione dell’Universo è errata, che l’Universo non è esattamente come pensiamo”.
La discrepanza ha molte altre implicazioni. Mette in discussione gli elementi fondamentali, come l’esatta natura dell’energia oscura, il continuum spazio-temporale e la gravità . “Significa che dobbiamo ripensare i concetti di base che costituiscono il fondamento della nostra comprensione generale della fisica“, afferma Anderson.
Lo studio del suo gruppo di ricerca fornisce un contributo importante anche in altri ambiti. “Poiché le nostre misurazioni sono così precise, ci danno un’idea della geometria della Via Lattea“, afferma Mauricio Cruz Reyes, uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Anderson e autore principale dello studio. “La calibrazione altamente accurata che abbiamo sviluppato ci consentirà di determinare meglio le dimensioni e la forma della Via Lattea come galassia a disco piatto e la sua distanza da altre galassie, per esempio. Il nostro lavoro ha anche confermato l’affidabilità dei dati di Gaia confrontandoli con quelli presi da altri telescopi”.
Riferimento: “A 0.9% calibration of the Galactic Cepheid luminosity scale based on Gaia DR3 data of open clusters and Cepheids” di Mauricio Cruz Reyes e Richard I. Anderson, 4 aprile 2023, Astronomy and Astrophysics.
DOI: 10.1051/0004-6361/202244775
