• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  •  science >> Scienza >  >> Astronomia
    Le lenti d'ingrandimento cosmiche forniscono una misura indipendente dell'espansione degli universi

    Ognuna di queste istantanee del telescopio spaziale Hubble rivela quattro immagini distorte di un quasar sullo sfondo che circonda il nucleo centrale di una galassia massiccia in primo piano. Le immagini multiple del quasar sono state prodotte dalla gravità della galassia in primo piano, che agisce come una lente d'ingrandimento deformando la luce del quasar in un effetto chiamato lente gravitazionale. I quasar sono lampioni cosmici estremamente distanti prodotti da buchi neri attivi. I raggi di luce di ciascuna immagine di quasar con lenti prendono un percorso leggermente diverso attraverso lo spazio per raggiungere la Terra. La lunghezza del percorso dipende dalla quantità di materia che distorce lo spazio lungo la linea di vista del quasar. Per tracciare ogni percorso, gli astronomi monitorano lo sfarfallio della luce del quasar mentre il suo buco nero divora materiale. Quando la luce tremola, ogni immagine dell'obiettivo si illumina in un momento diverso. Questa sequenza tremolante consente ai ricercatori di misurare i ritardi temporali tra ogni immagine mentre la luce dell'obiettivo viaggia lungo il suo percorso verso la Terra. Queste misurazioni del ritardo hanno aiutato gli astronomi a calcolare la velocità di crescita dell'universo, un valore chiamato costante di Hubble. Credito:NASA, ESA, SH. Suyu (Istituto Max Planck di Astrofisica, Università tecnica di Monaco di Baviera, e Academia Sinica Istituto di Astronomia e Astrofisica), e K.C. Wong (Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell'universo dell'Università di Tokyo)

    Un team di astronomi che utilizza il telescopio spaziale Hubble della NASA ha misurato il tasso di espansione dell'universo utilizzando una tecnica completamente indipendente da qualsiasi metodo precedente.

    Conoscere il valore preciso della velocità di espansione dell'universo è importante per determinare l'età, dimensione, e destino del cosmo. Svelare questo mistero è stata una delle più grandi sfide dell'astrofisica negli ultimi anni. Il nuovo studio aggiunge prove all'idea che potrebbero essere necessarie nuove teorie per spiegare ciò che gli scienziati stanno scoprendo.

    Il risultato dei ricercatori rafforza ulteriormente una preoccupante discrepanza tra il tasso di espansione, chiamata costante di Hubble, calcolato dalle misurazioni dell'universo locale e dalla velocità prevista dalla radiazione di fondo nell'universo primordiale, un tempo prima che esistessero le galassie e le stelle.

    Quest'ultimo valore rappresenta la misurazione più precisa finora utilizzando il metodo della lente gravitazionale, dove la gravità di una galassia in primo piano agisce come una lente d'ingrandimento gigante, amplificando e distorcendo la luce dagli oggetti sullo sfondo. Quest'ultimo studio non si è basato sulla tradizionale tecnica della "scala della distanza cosmica" per misurare le distanze accurate delle galassie utilizzando vari tipi di stelle come "marcatori del traguardo". Anziché, i ricercatori hanno impiegato la fisica esotica della lente gravitazionale per calcolare il tasso di espansione dell'universo.

    Il team di astronomia che ha effettuato le nuove misurazioni della costante di Hubble è soprannominato H0LiCOW (lenti H0 nella sorgente di COSMOGRAIL). COSMOGRAIL è l'acronimo di Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses, un grande progetto internazionale il cui obiettivo è il monitoraggio delle lenti gravitazionali. "Wellspring" si riferisce all'abbondante offerta di sistemi di lenti quasar.

    Questo grafico elenca la varietà di tecniche che gli astronomi hanno usato per misurare il tasso di espansione dell'universo, nota come costante di Hubble. Conoscere il valore preciso della velocità di espansione dell'universo è importante per determinare l'età, dimensione, e destino del cosmo. Credito:NASA, ESA, e A. James (STScI)

    Il team di ricerca ha ricavato il valore H0LiCOW per la costante di Hubble attraverso tecniche di osservazione e analisi che sono state notevolmente perfezionate negli ultimi due decenni.

    H0LiCOW e altre misurazioni recenti suggeriscono un tasso di espansione nell'universo locale più rapido di quanto previsto sulla base delle osservazioni del satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea su come si comportava il cosmo più di 13 miliardi di anni fa.

    Il divario tra i due valori ha importanti implicazioni per la comprensione dei parametri fisici sottostanti dell'universo e potrebbe richiedere una nuova fisica per spiegare la mancata corrispondenza.

    "Se questi risultati non sono d'accordo, potrebbe essere un indizio che non abbiamo ancora compreso appieno come la materia e l'energia si siano evolute nel tempo, soprattutto nei primi tempi, " ha affermato il team leader di H0LiCOW Sherry Suyu del Max Planck Institute for Astrophysics in Germania, l'Università Tecnica di Monaco di Baviera, e l'Istituto di Astronomia e Astrofisica Academia Sinica di Taipei, Taiwan.

    Come hanno fatto?

    Il team di H0LiCOW ha utilizzato Hubble per osservare la luce di sei quasar lontani, i brillanti proiettori di gas in orbita attorno a buchi neri supermassicci al centro delle galassie. I quasar sono oggetti di sfondo ideali per molte ragioni; Per esempio, sono luminosi, estremamente distante, e sparsi per tutto il cielo. Il telescopio ha osservato come la luce di ciascun quasar è stata moltiplicata in quattro immagini dalla gravità di un'enorme galassia in primo piano. Le galassie studiate distano dai 3 miliardi ai 6,5 miliardi di anni luce. La distanza media dei quasar è di 5,5 miliardi di anni luce dalla Terra.

    I raggi di luce di ciascuna immagine di quasar con lenti prendono un percorso leggermente diverso attraverso lo spazio per raggiungere la Terra. La lunghezza del percorso dipende dalla quantità di materia che distorce lo spazio lungo la linea di vista del quasar. Per tracciare ogni percorso, gli astronomi controllano lo sfarfallio della luce del quasar mentre il suo buco nero divora materiale. Quando la luce tremola, ogni immagine dell'obiettivo si illumina in un momento diverso.

    Questa sequenza tremolante consente ai ricercatori di misurare i ritardi temporali tra ogni immagine mentre la luce dell'obiettivo viaggia lungo il suo percorso verso la Terra. Per comprendere appieno questi ritardi, il team ha utilizzato per la prima volta Hubble per creare mappe accurate della distribuzione della materia in ciascuna galassia lente. Gli astronomi potrebbero quindi dedurre in modo affidabile le distanze dalla galassia al quasar, e dalla Terra alla galassia e al quasar di fondo. Confrontando questi valori di distanza, i ricercatori hanno misurato il tasso di espansione dell'universo.

    "La lunghezza di ogni ritardo indica la velocità con cui l'universo si sta espandendo, " ha affermato il membro del team Kenneth Wong del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe dell'Università di Tokyo, autore principale del documento più recente della collaborazione H0LiCOW. "Se i tempi sono più brevi, allora l'universo si sta espandendo a un ritmo più veloce. Se sono più lunghi, allora il tasso di espansione è più lento."

    Il processo di ritardo è analogo a quattro treni che lasciano la stessa stazione esattamente nello stesso momento e viaggiano alla stessa velocità per raggiungere la stessa destinazione. Però, ciascuno dei treni arriva a destinazione in un momento diverso. Questo perché ogni treno prende un percorso diverso, e la distanza per ogni percorso non è la stessa. Alcuni treni viaggiano sulle colline. Altri attraversano valli, e altri ancora sbuffano intorno alle montagne. Dai vari orari di arrivo, si può dedurre che ogni treno ha percorso una distanza diversa per raggiungere la stessa fermata. Allo stesso modo, lo schema di sfarfallio del quasar non appare allo stesso tempo perché parte della luce è ritardata dal percorrere curve create dalla gravità della materia densa nella galassia interposta.

    Immagine della bussola di quasar con lenti gravitazionali. Credito:NASA, ESA, SH. Suyu (Istituto Max Planck di Astrofisica, Università tecnica di Monaco di Baviera, e Academia Sinica Istituto di Astronomia e Astrofisica), e K.C. Wong (Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell'universo dell'Università di Tokyo)

    Come si confronta

    I ricercatori hanno calcolato un valore costante di Hubble di 73 chilometri al secondo per megaparsec (con un'incertezza del 2,4%). Ciò significa che per ogni ulteriore 3,3 milioni di anni luce di distanza una galassia è dalla Terra, sembra muoversi 73 chilometri al secondo più velocemente, a causa dell'espansione dell'universo.

    La misurazione del team è anche vicina al valore della costante di Hubble di 74 calcolato dal team Supernova H0 per l'Equazione di Stato (SH0ES), che utilizzava la tecnica della scala della distanza cosmica. La misurazione SH0ES si basa sulla misurazione delle distanze delle galassie vicine e lontane dalla Terra utilizzando le stelle variabili Cefeidi e le supernove come bastoncini per misurare le galassie.

    I valori SH0ES e H0LiCOW differiscono significativamente dal numero di Planck di 67, rafforzare la tensione tra le misurazioni della costante di Hubble dell'universo moderno e il valore previsto basato sulle osservazioni dell'universo primordiale.

    "Una delle sfide che abbiamo superato è stata avere programmi di monitoraggio dedicati attraverso COSMOGRAIL per ottenere i ritardi di molti di questi sistemi di lenti quasar, ", ha affermato Frédéric Courbin dell'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, capofila del progetto COSMOGRAIL.

    Suyu ha aggiunto:"Allo stesso tempo, sono state sviluppate nuove tecniche di modellazione di massa per misurare la distribuzione della materia di una galassia, compresi i modelli che abbiamo progettato per utilizzare l'imaging Hubble ad alta risoluzione. Le immagini ci hanno permesso di ricostruire, Per esempio, le galassie ospiti dei quasar. Queste immagini, insieme a ulteriori immagini a campo più ampio prese da telescopi terrestri, ci permettono anche di caratterizzare l'ambiente del sistema di lenti, che influenza la flessione dei raggi luminosi. Le nuove tecniche di modellazione di massa, in combinazione con i ritardi, aiutaci a misurare distanze precise dalle galassie."

    Iniziato nel 2012, il team di H0LiCOW ha ora immagini Hubble e informazioni sul ritardo temporale per 10 quasar lenti e galassie lente intermedie. Il team continuerà a cercare e dare seguito a nuovi quasar lenti in collaborazione con i ricercatori di due nuovi programmi. Un programma, chiamato STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey), è alla ricerca di nuovi sistemi di quasar lenti. Il secondo, chiamato SHARP (programma ad alta risoluzione angolare ad alta lentezza), utilizza ottiche adattive con il W.M. Telescopi Keck per l'immagine dei sistemi di lenti. L'obiettivo del team è osservare altri 30 sistemi quasar con lenti per ridurre la loro incertezza del 2,4% all'1%.

    Il prossimo telescopio spaziale James Webb della NASA, previsto per il lancio nel 2021, può aiutarli a raggiungere il loro obiettivo dell'1% di incertezza molto più velocemente attraverso la capacità di Webb di mappare le velocità delle stelle in una galassia lente, che consentirà agli astronomi di sviluppare modelli più precisi della distribuzione della materia oscura nella galassia.

    Il lavoro del team H0LiCOW apre anche la strada allo studio di centinaia di quasar lenti che gli astronomi stanno scoprendo attraverso sondaggi come Dark Energy Survey e PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), e il Large Synoptic Survey Telescope della National Science Foundation, che dovrebbe scoprire migliaia di fonti aggiuntive.

    Inoltre, Il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) della NASA aiuterà gli astronomi ad affrontare il disaccordo nel valore della costante di Hubble tracciando la storia dell'espansione dell'universo. La missione utilizzerà anche più tecniche, come campionare migliaia di supernovae e altri oggetti a varie distanze, per aiutare a determinare se la discrepanza è il risultato di errori di misurazione, tecnica di osservazione, o se gli astronomi devono modificare la teoria da cui derivano le loro previsioni.

    Il team presenterà i suoi risultati al 235° meeting dell'American Astronomical Society a Honolulu, Hawaii.


    © Scienza https://it.scienceaq.com