La ricerca del tasso di espansione dell’Universo è stata iniziata negli anni ’20 dagli gli astronomi Edwin P. Hubble e Georges Lemaître. Nel 1998 i loro studi hanno portato alla scoperta della cosiddetta “energia oscura“, una misteriosa forza repulsiva che accelera l’espansione dell’universo. Il parametro che regola il tasso di quest’espansione è stato chiamato costante di Hubble.
Negli ultimi anni, grazie ai dati del telescopio spaziale Hubble e di altri telescopi, i ricercatori hanno potuto ricavare con metodi diversi il valore della costante di Hubble. Purtroppo è emersa una significativa discrepanza tra il tasso di espansione misurato nell’Universo locale rispetto alle osservazioni indipendenti effettuate subito dopo il Big Bang. Questa discrepanza rimane un mistero.
Ora, dopo 30 anni di osservazioni e dati ottenuti con Hubble, i ricercatori hanno individuato più di 40 oggetti cosmici che possono aiutare a misurare con alta precisione le distanze astronomiche, e quindi il tasso di espansione dell’Universo. Questa ricerca, portata avanti dalla collaborazione scientifica SHOES (Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy), supporta l’idea che stia succedendo qualcosa di strano, che potrebbe coinvolgere una fisica completamente nuova.
SHOES cerca la costante di Hubble per comprendere l’espansione dell’Universo
Il premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University di Baltimora è alla guida della collaborazione SHOES, che studia il tasso di espansione dell’Universo. “Questo è ciò per cui è stato costruito il telescopio spaziale Hubble, utilizzando le migliori tecniche che conosciamo per farlo” ha affermato Riess. “Questa è probabilmente l’opera magnum di Hubble, perché ci vorrebbero altri 30 anni della vita di Hubble per raddoppiare la dimensione di questo campione.”
L’articolo del team di Riess, che sarà pubblicato nel numero Special Focus di The Astrophysical Journal , riporta il completamento del più grande e probabilmente ultimo importante aggiornamento sul valore della costante di Hubble. I nuovi risultati hanno più del doppio del precedente campione di marcatori di distanze astronomiche. Il suo team ha anche rianalizzato tutti i dati precedenti, con l’intero set di dati che ora include oltre 1.000 orbite Hubble.
Cefeidi e supernovae per misurare la scala della distanza cosmica
Quando la NASA concepì un grande telescopio spaziale negli anni ’70, una delle principali giustificazioni per la spesa e lo straordinario sforzo tecnico era quella di riuscire a risolvere le Cefeidi. Le Cefeidi sono stelle variabili, che si illuminano e si attenuano periodicamente. Da quando l’astronoma Henrietta Swan Leavitt ha scoperto nel 1912 la loro utilità come marcatori di distanze astronomiche, queste stelle variabili sono state a lungo il cosiddetto gold standard. Per calcolare distanze molto maggiori, gli astronomi sfruttano invece le esplosioni stellari di supernovae di tipo Ia.
Combinando Cefeidi e supernovae, i ricercatori hanno potuto costruire una “scala della distanza cosmica” attraverso l’Universo. Questi oggetti cosmici sono quindi essenziali per misurare la costante di Hubble, valore fondamentale per stimare l’età dell’Universo. Subito dopo il lancio di Hubble nel 1990, la prima serie di osservazioni delle stelle Cefeidi per perfezionare la costante di Hubble è stata intrapresa da due team:
- l’HST Key Project guidato da Wendy Freedman, Robert Kennicutt e Jeremy Mould, Marc Aaronson;
- Un altro progetto guidato da Allan Sandage e collaboratori.
Entrambi i team hanno utilizzato le Cefeidi come indicatori di traguardo per perfezionare la misurazione della distanza dalle galassie vicine. All’inizio degli anni 2000 i team hanno dichiarato “missione compiuta” raggiungendo una precisione del 10 percento per la costante di Hubble, pari a 72 più o meno 8 chilometri al secondo per megaparsec.
La costante di Hubble
Nel 2005 e di nuovo nel 2009, l’aggiunta di nuove potenti fotocamere a bordo del telescopio Hubble ha lanciato la “Generazione 2” della ricerca costante di Hubble. Nel frattempo, i team si sono impegnati a perfezionare il valore con una precisione dell’uno per cento, obiettivo inaugurato dal programma SHOES. Diverse squadre di astronomi che utilizzano Hubble, tra cui SHOES, sono d’accordo su un valore della costante di Hubble di 73 più o meno 1 chilometro al secondo per megaparsec.
Nel frattempo, altri approcci sono stati utilizzati per stimare la costante di Hubble, ottenendo risultati molto simili. La dott.ssa Licia Verde, cosmologa dell’ICREA e dell’ICC-Università di Barcellona, parla del lavoro del team SHOES, ha spiegato:
La costante di Hubble è un numero molto speciale. Può essere usata per infilare un ago dal passato al presente per un test end-to-end della nostra comprensione dell’universo. Ciò ha richiesto una quantità fenomenale di lavoro dettagliato.
Possibili indizi di una nuova fisica
Ora il team ha misurato con Hubble 42 marcatori-supernova di distanze astronomiche. Poiché le supernovae si vedono esplodere a una velocità di circa una all’anno, Hubble ha, per tutti gli scopi pratici, registrato quante più supernovae possibili per misurare l’espansione dell’universo.
Si prevedeva che il tasso di espansione dell’Universo fosse più lento di quello che Hubble vede effettivamente. Combinando il Modello Cosmologico Standard e le misurazioni della missione Planck dell’Agenzia Spaziale Europea, che ha osservato il fondo cosmico a microonde 13,8 miliardi di anni fa, gli astronomi prevedono un valore inferiore per la costante di Hubble. Esso sarebbe di 67,5 più o meno 0,5 chilometri per secondo per megaparsec, rispetto alla stima di 73 del team SHOES.
Data la grande dimensione del campione di Hubble, c’è solo una possibilità su un milione che gli astronomi si sbagliano, una soglia comune per prendere sul serio un problema di fisica. Questa scoperta sta districando quella che stava diventando un’immagine ordinata e comprensibile dell’evoluzione dinamica dell’Universo. Gli astronomi non sanno come spiegare la disconnessione tra il tasso di espansione dell’universo locale e l’Universo primordiale, ma la risposta potrebbe implicare una fisica a noi ancora sconosciuta.
Il nuovo telescopio spaziale James Webb della NASA estenderà il lavoro di Hubble. Il Webb mostrerà questi marcatori di distanze cosmiche a distanze molto maggiori e a una risoluzione più nitida di quella che Hubble può vedere. Vedremo quindi cosa i suoi risultati saranno in grado di dirci.
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