Universo in espansione: dibattito sulle osservazioni

Il nostro universo si sta espandendo, tuttavia la ricerca ha prodotto due metodi differenti per misurare la velocità con cui questo sta avvenendo. Le risposte eterogenee, portano un'astrofisico a chiarire che forse non c'è nessun conflitto

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Universo in espansione: esiste veramente un conflitto su tesi differenti e una “nuova fisica” che potrebbe ribaltare il modello standard su cui si basano le teorie attuali?

Da molto tempo e soprattutto negli ultimi 10 anni, gli astrofisici hanno cercato di rispondere a questa e altre domande. Tuttavia, la diatriba si è scissa in due metodi principali che andrebbero a misurare la velocità con cui l’universo si sta espandendo. Il primo sosterrebbe la tesi che la differenza sia significativa. L’altro che possa essere dovuta a errori di misurazione.

Se questi errori derivano da una mancata corrispondenza, questo confermerebbe il modello di base su come funziona l’universo. Diversamente, un’altra possibilità è di una “nuova fisica” da applicare – che attualmente manca – e che andrebbe a chiarire molti punti.

L’argomento non è cosa nuova, infatti, si trascina da anni e, non a caso, a ogni nuova prova riportata dai telescopi, ha continuato a far rimbalzare l’argomento da una parte all’altra, avanti e indietro, dando origine a quella che è stata chiamata la “tensione Hubble“.

Wendy Freedman – una rinomata astronoma e il John and Marion Sullivan University Professor in Astronomia e Astrofisica all’Università di Chicago – ha messo in pratica alcune delle misurazioni originali del tasso di espansione dell’universo che hanno portato a un valore più alto della costante di Hubble. Ma in un nuovo documento di revisione, accettato all’Astrophysical Journal, Freedman dà una panoramica delle osservazioni più recenti.

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La sua conclusione:

Le ultime osservazioni stanno iniziando a colmare il divario; ovvero, potrebbe non esserci un conflitto dopo tutto, e il nostro modello standard dell’universo non ha bisogno di essere significativamente modificato”.

Universo in espansione

Universo in espansione,una panoramica delle osservazioni più recenti

Il tasso di espansione dell’universo è chiamato costante di Hubble, dal nome dell’ex studente di UChicago Edwin Hubble, (SB 1910, PhD 1917), a cui si attribuisce la scoperta dell’espansione dell’universo nel 1929. Gli scienziati vogliono stabilire con precisione questo tasso, perché la costante di Hubble è legata all’età dell’universo e a come si è evoluto nel tempo.

Una falla sostanziale è emersa nell’ultimo decennio, quando i risultati dei due principali metodi di misurazione hanno cominciato a divergere. Ma gli scienziati stanno ancora discutendo il significato della discrepanza.

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Secondo i fisici, un metodo per misurare la costante di Hubble è osservare la luce molto flebile rimasta dal Big Bang, chiamata fondo cosmico a microonde.  Quest’esame, condotto sia dalla terra che dallo spazio, tramite strutture come il South Pole Telescope guidato dall’UChicago, ha dato come risultato ai ricercatori, la possibilità di inserire queste osservazioni nel loro “modello standard” dell’universo primordiale; e successivamente, farlo andare avanti nel tempo per prevedere quale dovrebbe essere la costante di Hubble oggi. Ottengono una risposta di 67,4 chilometri al secondo per megapàrsec.

Un altro metodo, è quello di scrutare attentamente le stelle e le galassie nell’universo vicino. Inoltre di misurare le loro distanze e quanto velocemente si stanno allontanando da noi.

Hubble e l’osservazione delle Cefeidi

La Freedman è stata una delle principali esperte di questo metodo per molti decenni. Nel 2001, il suo team ha fatto una delle misurazioni di riferimento usando il telescopio spaziale Hubble per fotografare le stelle chiamate Cefeidi. Il valore che trovarono fu 72.

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Freedman ha continuato a misurare le Cefeidi negli anni successivi, rivedendo ogni volta più dati del telescopio; tuttavia, nel 2019, lei e i suoi colleghi hanno pubblicato una risposta basata su un metodo completamente diverso, usando stelle chiamate giganti rosse. L’idea era di fare un controllo incrociato delle Cefeidi con un metodo indipendente.

Universo in espansione – Illustrazione di esplosione stellare

Ma cosa sono le giganti rosse?

Le giganti rosse sono stelle molto grandi e luminose che raggiungono sempre lo stesso picco di luminosità prima di svanire rapidamente. Se gli scienziati possono misurare accuratamente l’effettivo, o intrinseco, picco di luminosità delle giganti rosse, possono poi misurare le distanze dalle galassie che le ospitano, una parte essenziale ma difficile dell’equazione. La domanda chiave è quanto siano accurate queste misure.

Quando nel 2019 fu fatta la versione del primo calcolo, fu utilizzata una singola galassia, molto vicina, per calibrare le luminosità delle stelle giganti rosse.

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Negli ultimi due anni la Freedman e il suo team, hanno eseguito i numeri per diverse galassie e popolazioni di stelle.

Ci sono ora quattro modi indipendenti di calibrare le luminosità delle giganti rosse, e sono d’accordo entro l’1% l’uno dell’altro“; afferma la Freedman. “Ciò indica che questo è un modo davvero buono di misurare la distanza”.

“Volevo davvero guardare attentamente sia le Cefeidi che le giganti rosse. Conosco bene i loro punti di forza e di debolezza”, ha dichiarato la Freedman. “Sono giunta alla conclusione che non abbiamo bisogno di una nuova fisica fondamentale per spiegare le differenze nei tassi di espansione locali e lontani. I nuovi dati sulle giganti rosse mostrano che sono coerenti”.

Le misurazioni delle stelle giganti rosse nelle galassie di ancoraggio, sono state effettuate da Taylor Hoyt, studente laureato dell’Università di Chicago, che dichiara: “Continuiamo a misurare e testare le stelle del ramo gigante rosso in modi diversi, e continuano a superare le nostre aspettative“.

Universo in espansione: le conclusioni della Freedman

Il valore della costante di Hubble che il team di Freedman ottiene dalle giganti rosse è 69,8 km/s/Mpc — praticamente lo stesso valore derivato dall’esperimento del fondo cosmico a microonde.

Non è necessaria una nuova fisica“, ribadisce la Freedman.

I calcoli, con le stelle Cefeidi, danno ancora numeri più alti; ma secondo l’analisi della Freedman, la differenza potrebbe non essere preoccupante.

Le stelle Cefeidi sono sempre state un po’ più rumorose e un po’ più complicate da comprendere appieno; sono stelle giovani nelle regioni di formazione stellare attive delle galassie, e questo significa che c’è il potenziale per cose come la polvere o la contaminazione da altre stelle per confondere le misure“, ha spiegato.

Nel 2022, è previsto il lancio del James Webb Space Telescope, e questo permetterà agli scienziati di raccogliere nuove informazioni. Freedman e collaboratori sono già attivi con un programma che permetterà più misurazioni sia delle Cefeidi sia delle stelle giganti rosse.

Il Webb ci darà maggiore sensibilità e risoluzione, e i dati miglioreranno molto, molto presto“, conclude.