Avvalendosi di tecnologie e tecniche all'avanguardia, un team di astrofisici della Clemson University ha aggiunto un nuovo approccio per quantificare una delle leggi fondamentali dell'universo.

In un articolo pubblicato venerdì, 8 novembre in Il Giornale Astrofisico , Gli scienziati di Clemson Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli e Dieter Hartmann hanno collaborato con altri sei scienziati in tutto il mondo per ideare una nuova misurazione della costante di Hubble, l'unità di misura utilizzata per descrivere il tasso di espansione dell'universo.

"La cosmologia riguarda la comprensione dell'evoluzione del nostro universo:come si è evoluto in passato, cosa sta facendo ora e cosa accadrà in futuro, " disse Ajello, un professore associato nel dipartimento di fisica e astronomia del College of Science. "La nostra conoscenza si basa su una serie di parametri, inclusa la costante di Hubble, che ci sforziamo di misurare nel modo più preciso possibile. In questo articolo, il nostro team ha analizzato i dati ottenuti dai telescopi orbitanti e terrestri per ottenere una delle misurazioni più recenti della velocità di espansione dell'universo".

Il concetto di universo in espansione è stato avanzato dall'astronomo americano Edwin Hubble (1889-1953), chi è l'omonimo del telescopio spaziale Hubble. All'inizio del XX secolo, Hubble divenne uno dei primi astronomi a dedurre che l'universo fosse composto da più galassie. Le sue ricerche successive portarono alla sua scoperta più famosa:le galassie si allontanavano l'una dall'altra a una velocità proporzionale alla loro distanza.

Hubble originariamente stimava che il tasso di espansione fosse di 500 chilometri al secondo per megaparsec, con un megaparsec equivalente a circa 3,26 milioni di anni luce. Hubble concluse che una galassia a due megaparsec di distanza dalla nostra si stava allontanando due volte più velocemente di una galassia a solo un megaparsec di distanza. Questa stima divenne nota come la costante di Hubble, che dimostrò per la prima volta che l'universo si stava espandendo. Da allora gli astronomi lo hanno ricalibrato, con risultati contrastanti.

Con l'aiuto di tecnologie alle stelle, gli astronomi hanno ottenuto misurazioni che differivano significativamente dai calcoli originali di Hubble, rallentando il tasso di espansione fino a un valore compreso tra 50 e 100 chilometri al secondo per megaparsec. E negli ultimi dieci anni, strumenti ultra sofisticati, come il satellite Planck, hanno aumentato la precisione delle misurazioni originali di Hubble in modo relativamente drammatico.

In un articolo intitolato "Una nuova misurazione della costante di Hubble e del contenuto di materia dell'universo utilizzando l'attenuazione dei raggi gamma di luce di fondo extragalattico, " il team collaborativo ha confrontato gli ultimi dati sull'attenuazione dei raggi gamma dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi e dai telescopi Cherenkov per immagini atmosferiche per elaborare le loro stime da modelli di luce di fondo extragalattici. Questa nuova strategia ha portato a una misurazione di circa 67,5 chilometri al secondo per megaparsec .

I raggi gamma sono la forma di luce più energetica. La luce di fondo extragalattica (EBL) è una nebbia cosmica composta da tutti gli ultravioletti, luce visibile e infrarossa emessa dalle stelle o dalla polvere nelle loro vicinanze. Quando i raggi gamma ed EBL interagiscono, lasciano un'impronta osservabile - una graduale perdita di flusso - che gli scienziati hanno potuto analizzare nel formulare la loro ipotesi.

"La comunità astronomica sta investendo una grande quantità di denaro e risorse nella cosmologia di precisione con tutti i diversi parametri, compreso la costante di Hubble, " ha detto Dieter Hartmann, professore di fisica e astronomia. "La nostra comprensione di queste costanti fondamentali ha definito l'universo come lo conosciamo ora. Quando la nostra comprensione delle leggi diventa più precisa, anche la nostra definizione dell'universo diventa più precisa, che porta a nuove intuizioni e scoperte."

Un'analogia comune dell'espansione dell'universo è un palloncino punteggiato di macchie, con ogni punto che rappresenta una galassia. Quando il palloncino viene gonfiato, le macchie si allargavano sempre di più.

"Alcuni teorizzano che il pallone si espanderà fino a un determinato punto nel tempo e poi collasserà di nuovo, " disse Desai, un assistente di ricerca laureato nel dipartimento di fisica e astronomia. "Ma la credenza più comune è che l'universo continuerà ad espandersi finché tutto non sarà così distante che non ci sarà più luce osservabile. A questo punto, l'universo subirà una morte fredda. Ma questo non è nulla di cui preoccuparci. Se questo accade, saranno trilioni di anni da oggi."

Ma se l'analogia con il palloncino è accurata, che cos'è, Esattamente, che sta gonfiando il palloncino?

"Materia - le stelle, i pianeti, anche noi, è solo una piccola frazione della composizione complessiva dell'universo, " Ha spiegato Ajello. "La grande maggioranza dell'universo è costituita da energia oscura e materia oscura. E crediamo che sia l'energia oscura che sta 'gonfiando il pallone'. L'energia oscura sta allontanando le cose l'una dall'altra. Gravità, che attrae gli oggetti l'uno verso l'altro, è la forza più forte a livello locale, ecco perché alcune galassie continuano a scontrarsi. Ma a distanze cosmiche, l'energia oscura è la forza dominante."

Gli altri autori che contribuiscono sono l'autore principale Alberto Dominguez dell'Università Complutense di Madrid; Radek Wojtak dell'Università di Copenaghen; Justin Finke del Laboratorio di ricerca navale di Washington, DC; Kari Helgason dell'Università dell'Islanda; Francisco Prada dell'Instituto de Astrofisica de Andalucia; e Vaidehi Paliya, un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo di Ajello a Clemson che ora è al Deutsches Elektronen-Synchrotron di Zeuthen, Germania.

"È notevole che stiamo usando i raggi gamma per studiare la cosmologia. La nostra tecnica ci consente di utilizzare una strategia indipendente, una nuova metodologia indipendente da quelle esistenti, per misurare le proprietà cruciali dell'universo, " disse Dominguez, che è anche un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo di Ajello. "I nostri risultati mostrano la maturità raggiunta nell'ultimo decennio dal campo relativamente recente dell'astrofisica delle alte energie. L'analisi che abbiamo sviluppato apre la strada a misurazioni migliori in futuro utilizzando il Cherenkov Telescope Array, che è ancora in fase di sviluppo e sarà la più ambiziosa serie di telescopi terrestri ad alta energia di sempre".

Molte delle stesse tecniche utilizzate nel presente documento sono correlate al lavoro precedente condotto da Ajello e dai suoi omologhi. In un progetto precedente, che è apparso sul giornale Scienza , Ajello e il suo team sono stati in grado di misurare tutta la luce stellare mai emessa nella storia dell'universo.

"Quello che sappiamo è che i fotoni di raggi gamma provenienti da fonti extragalattiche viaggiano nell'universo verso la Terra, dove possono essere assorbiti interagendo con i fotoni della luce stellare, Ajello ha detto. "Il tasso di interazione dipende dalla lunghezza che viaggiano nell'universo. E la lunghezza che percorrono dipende dall'espansione. Se l'espansione è bassa, percorrono una piccola distanza. Se l'espansione è grande, percorrono una distanza molto grande. Quindi la quantità di assorbimento che abbiamo misurato dipendeva molto dal valore della costante di Hubble. Quello che abbiamo fatto è stato capovolgerlo e usarlo per limitare il tasso di espansione dell'universo".