Gli astronomi hanno utilizzato il telescopio spaziale Hubble della NASA per effettuare le misurazioni più precise del tasso di espansione dell'universo da quando è stato calcolato per la prima volta quasi un secolo fa. intrigante, i risultati stanno costringendo gli astronomi a considerare che potrebbero vedere prove di qualcosa di inaspettato all'opera nell'universo.

Questo perché l'ultima scoperta di Hubble conferma una fastidiosa discrepanza che mostra che l'universo si sta espandendo più velocemente di quanto ci si aspettasse dalla sua traiettoria vista poco dopo il big bang. I ricercatori suggeriscono che potrebbe esserci una nuova fisica per spiegare l'incoerenza.

"La comunità è davvero alle prese con la comprensione del significato di questa discrepanza, " ha affermato il ricercatore capo e premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University, sia a Baltimora, Maryland.

La squadra di Riess, che comprende Stefano Casertano, anche di STScI e Johns Hopkins, ha utilizzato Hubble negli ultimi sei anni per perfezionare le misurazioni delle distanze delle galassie, usando le loro stelle come indicatori di traguardo. Queste misurazioni vengono utilizzate per calcolare la velocità con cui l'universo si espande nel tempo, un valore noto come costante di Hubble. Il nuovo studio del team estende il numero di stelle analizzate a distanze fino a 10 volte superiori nello spazio rispetto ai precedenti risultati di Hubble.

Ma il valore di Riess rafforza la disparità con il valore atteso derivato dalle osservazioni dell'espansione dell'universo primordiale, 378, 000 anni dopo il big bang, l'evento violento che ha creato l'universo circa 13,8 miliardi di anni fa. Queste misurazioni sono state effettuate dal satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea, che mappa il fondo cosmico a microonde, una reliquia del big bang. La differenza tra i due valori è di circa il 9%. Le nuove misurazioni Hubble aiutano a ridurre la possibilità che la discrepanza nei valori sia una coincidenza a 1 su 5, 000.

Il risultato di Planck ha previsto che il valore della costante di Hubble dovrebbe ora essere di 67 chilometri al secondo per megaparsec (3,3 milioni di anni luce), e non potrebbe essere superiore a 69 chilometri al secondo per megaparsec. Ciò significa che per ogni 3,3 milioni di anni luce di distanza da noi c'è una galassia, si sta muovendo a 67 chilometri al secondo più velocemente. Ma il team di Riess ha misurato un valore di 73 chilometri al secondo per megaparsec, indicando che le galassie si muovono a una velocità maggiore di quella implicita nelle osservazioni dell'universo primordiale.

I dati di Hubble sono così precisi che gli astronomi non possono liquidare il divario tra i due risultati come errori in una singola misurazione o metodo. "Entrambi i risultati sono stati testati in più modi, quindi salvo una serie di errori non correlati, "Riess ha spiegato, "è sempre più probabile che questo non sia un bug ma una caratteristica dell'universo".

Spiegare una fastidiosa discrepanza

Riess ha delineato alcune possibili spiegazioni per la mancata corrispondenza, tutto relativo al 95% dell'universo che è avvolto nell'oscurità. Una possibilità è che l'energia oscura, già noto per accelerare il cosmo, potrebbe allontanare le galassie l'una dall'altra con una forza ancora maggiore o crescente. Ciò significa che l'accelerazione stessa potrebbe non avere un valore costante nell'universo ma cambiare nel tempo nell'universo. Riess ha condiviso un premio Nobel per la scoperta del 1998 dell'universo in accelerazione.

Un'altra idea è che l'universo contenga una nuova particella subatomica che viaggia vicino alla velocità della luce. Tali particelle veloci sono chiamate collettivamente "radiazioni oscure" e includono particelle precedentemente note come i neutrini, che si creano nelle reazioni nucleari e nei decadimenti radioattivi. A differenza di un normale neutrino, che interagisce con una forza subatomica, questa nuova particella sarebbe influenzata solo dalla gravità ed è soprannominata un "neutrino sterile".

Un'altra possibilità interessante è che la materia oscura (una forma invisibile di materia non composta da protoni, neutroni, ed elettroni) interagisce più fortemente con la materia normale o la radiazione di quanto si pensasse in precedenza.

Ognuno di questi scenari cambierebbe i contenuti dell'universo primordiale, portando a incongruenze nei modelli teorici. Queste incongruenze comporterebbe un valore errato per la costante di Hubble, dedotto dalle osservazioni del giovane cosmo. Questo valore sarebbe quindi in contrasto con il numero derivato dalle osservazioni di Hubble.

Riess e i suoi colleghi non hanno ancora risposte a questo fastidioso problema, ma la sua squadra continuerà a lavorare per mettere a punto il tasso di espansione dell'universo. Finora, La squadra di Riess, chiamata Supernova H0 per l'Equazione di Stato (SH0ES), ha ridotto l'incertezza al 2,3 per cento. Prima che Hubble fosse lanciato nel 1990, le stime della costante di Hubble variavano di un fattore due. Uno degli obiettivi chiave di Hubble era aiutare gli astronomi a ridurre il valore di questa incertezza entro un errore di solo il 10%. Dal 2005, il gruppo ha cercato di affinare l'accuratezza della costante di Hubble a una precisione che consenta una migliore comprensione del comportamento dell'universo.

Costruire una scala a forte distanza

Il team è riuscito a perfezionare il valore costante di Hubble razionalizzando e rafforzando la costruzione della scala delle distanze cosmiche, which the astronomers use to measure accurate distances to galaxies near to and far from Earth. The researchers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant.

But the Hubble constant's value is only as precise as the accuracy of the measurements. Astronomers cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. Anziché, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.

Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. Their distances, perciò, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.

Astronomer Henrietta Leavitt was the first to recognize the utility of Cepheid variables to gauge distances in 1913. But the first step is to measure the distances to Cepheids independent of their brightness, using a basic tool of geometry called parallax. Parallax is the apparent shift of an object's position due to a change in an observer's point of view. This technique was invented by the ancient Greeks who used it to measure the distance from Earth to the Moon.

The latest Hubble result is based on measurements of the parallax of eight newly analyzed Cepheids in our Milky Way galaxy. These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6, 000 light-years and 12, 000 light-years from Earth, making them more challenging to measure. They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away. Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1, 600 light-years from Earth.

Scanning the Stars

To measure parallax with Hubble, the team had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth's motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope's camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.

Perciò, to ensure the accuracy of the measurements, the astronomers developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. The researchers invented a scanning technique in which the telescope measured a star's position a thousand times a minute every six months for four years.

The team calibrated the true brightness of the eight slowly pulsating stars and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder. The researchers then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars' true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.

Another advantage to this study is that the team used the same instrument, Hubble's Wide Field Camera 3, to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.

"Ordinarily, if every six months you try to measure the change in position of one star relative to another at these distances, you are limited by your ability to figure out exactly where the star is, " Casertano explained. Using the new technique, Hubble slowly slews across a stellar target, and captures the image as a streak of light. "This method allows for repeated opportunities to measure the extremely tiny displacements due to parallax, " Riess added. "You're measuring the separation between two stars, not just in one place on the camera, but over and over thousands of times, reducing the errors in measurement."

The team's goal is to further reduce the uncertainty by using data from Hubble and the European Space Agency's Gaia space observatory, which will measure the positions and distances of stars with unprecedented precision. "This precision is what it will take to diagnose the cause of this discrepancy, " Casertano said.