La costante di Hubble (H0) è un valore misurato in km/s/megaparsec che indica l’espansione dell’universo. Questa costante è da anni oggetto di discussione per i ricercatori di tutto il mondo, in quanto i due diversi metodi utilizzati per la sua identificazione offrono risultati contrastanti. Simon Birrer, ricercatore della Standford University, Kavli Institute for Particle Physics and Astrophysics ed un gruppo internazionale di ricercatori, potrebbero avere una soluzione per definire in maniera più accurata la costante, riducendo le approssimazioni utilizzate in passato.

Birrer e il suo gruppo hanno rivisitato il metodo chiamato time-delay cosmography, prendendo in considerazione un maggior numero di parametri. Simon afferma infatti che il suo studio è il seguito di un progetto che dura da più di 10 anni. L’obbiettivo è ora quello di migliorare le analisi effettuate in passato.

L’espansione dell’universo

Si è al corrente dell’espansione dell’universo da circa un secolo e i cosmologi hanno sviluppato durante gli anni due particolari metodi per calcolare questa l’espansione. Il primo, denominato cosmic distance ladder, letteralmente “scala delle distanze cosmiche”, permette di stimare la distanza delle lontane supernove. Esaminando lo spettro della luce emessa dalla supernova, è possibile calcolare la velocità con la quale si allontana dal punto di osservazione, dividendo successivamente per la distanza (parsec) è possibile ricavare la costante di Hubble.

Il secondo prende il nome di time-delay cosmography e permette di stimare la costante di Hubble analizzando le increspature nella radiazione cosmica di fondo (CMB in inglese). La radiazione proviene dalle onde sonore che hanno viaggiato attraverso il plasma nell’universo primordiale. Misurando la lunghezza d’onda della radiazione cosmica di fondo è possibile determinare da quanto tempo essa sta viaggiando. Mediante una teoria che sfrutta questo fenomeno, è possibile stimare quanto rapidamente l’universo si stia espandendo.

Due metodi, due risultati

Le due teorie offrono risultati comparabili, ma entrambe presentano delle approssimazioni importanti. Utilizzando la radiazione cosmica di fondo non è possibile conoscere i mutamenti dell’onda in seguito al passaggio nella materia negli istanti successivi al Big-Bang, non si è nemmeno a conoscenza dell’arco di tempo durante il quale il suono abbia viaggiato prima di lasciare la sua impronta sulla radiazione cosmica di fondo. Inoltre si è costretti ad approssimare la velocità dell’espansione negli istanti immediatamente successivi al Big-bang.

Utilizzando invece la scala delle distanze cosmiche si presentano delle approssimazioni successive, a partire dalla misura della distanza Terra-Sole, fino all’approssimazione del parallasse nella misurazione della distanza tra il Sole e le stelle pulsanti, chiamate cefeide. L’errore nel parallasse deriva proprio dall’unità di misura parsec, “parallasse di un secondo d’arco”, definito come la distanza dal Sole di un corpo che ha una parallasse annua di 1 secondo d’arco. Questo concatenarsi di approssimazioni rende molto difficile il lavoro dei ricercatori per definire una costante con errori trascurabili.

Verso la nuova formulazione

Birrer, nel corso della ricerca, sfrutta il fenomeno delle lenti gravitazionali forti (strong gravitational lensing). Le lenti gravitazionali sono fenomeni previsti già nella teoria della relatività generale di Einstein per cui è la curvatura dello spazio-tempo che determina la traiettoria delle radiazioni elettromagnetiche (come la luce). Una lente gravitazionale forte produce lo stesso effetto, ma con maggiore intensità. Analizzando una quasar (nucleo galattico attivo luminoso) mediante una lente gravitazionale forte, è possibile osservare immagini multiple, ognuna di esse proveniente da una “traiettoria” diversa attraverso la lente.

Simon Birrer afferma che negli ultimi 10 anni le misurazioni effettuate sono diventate sempre più precise e che sia quindi possibile utilizzare il metodo delle lenti gravitazionali per una stima di H0 più precisa. Grazie all’aiuto di molteplici organizzazioni, ora facenti tutte parte di TDCOSMO, si è arrivati alla stima di 73 km/s/megaparsec, con una incertezza del 2%.

Questo dato è in completo accordo con il metodo che utilizza la scala delle distanze cosmiche, ma non soddisfa appieno il metodo della radiazione cosmica di fondo.

Discussione sulle approssimazioni di distribuzione di massa

Secondo Birrer, le approssimazioni effettuate in passato sui modelli di distribuzioni di massa delle galassie non sono abbastanza precise da poter concludere che la costante di Hubble sia diversa da quella calcolata mediante la radiazione cosmica di fondo.

I ricercatori hanno quindi condotto nuove analisi, includendo un numero maggiore di lenti gravitazionali nei modelli. Analizzando 7 lenti, e facendo un numero minore di approssimazioni, la costante di Hubble ha dato valore di 74 km/s/megaparsec. Questo valore aveva però una incertezza decisamente più alta che non può escludere il valore ricavato mediante lo studio della radiazione cosmica di fondo.

Simon e il gruppo TDCOSMO hanno in seguito analizzato altre 33 lenti gravitazionali e la costante ha dato valore di 67 ± 5% Km/s/megaparsec. Tale valore è in buon accordo con entrambe le teorie, e questo ha dimostrato che le approssimazioni effettuate sono consistenti con le analisi precedenti.

Secondo quanto affermato dai ricercatori, le discrepanze sulle costanti di Hubble permangono, ma ora sono state prese in considerazione un numero minore di approssimazioni. Questo permetterà margini di miglioramento, soprattutto in merito allo studio dei modelli di distribuzione di massa delle galassie. Birrer è convinto che in futuro, analizzando un maggior numero di galassie, sarà possibile migliorare ancora di molto la definizione e la precisione del valore della costate di Hubble.

L’articolo completo: Hierarchical time-delay cosmography – joint inference of the Hubble constant and galaxy density profiles.

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