Una nuova serie di misurazioni di precisione della distanza effettuate con una collezione internazionale di radiotelescopi ha notevolmente aumentato la probabilità che i teorici debbano rivedere il "modello standard" che descrive la natura fondamentale dell'Universo.

Le nuove misurazioni della distanza hanno permesso agli astronomi di perfezionare il calcolo della costante di Hubble, il tasso di espansione dell'Universo, un valore importante per testare il modello teorico che descrive la composizione e l'evoluzione dell'Universo. Il problema è che le nuove misurazioni esacerbano una discrepanza tra i valori precedentemente misurati della costante di Hubble e il valore previsto dal modello quando applicato alle misurazioni del fondo cosmico a microonde effettuate dal satellite Planck.

"Troviamo che le galassie sono più vicine di quanto previsto dal modello standard della cosmologia, corroborare un problema identificato in altri tipi di misurazioni della distanza. Si è discusso se questo problema risieda nel modello stesso o nelle misurazioni utilizzate per testarlo. Il nostro lavoro utilizza una tecnica di misurazione della distanza completamente indipendente da tutte le altre, e rafforziamo la disparità tra valori misurati e valori previsti. È probabile che il modello cosmologico di base coinvolto nelle previsioni sia il problema, " ha detto James Braatz, dell'Osservatorio Nazionale di Radioastronomia (NRAO).

Braatz guida il Megamaser Cosmology Project, uno sforzo internazionale per misurare la costante di Hubble trovando galassie con proprietà specifiche che si prestano a fornire distanze geometriche precise. Il progetto ha utilizzato il Very Long Baseline Array (VLBA) della National Science Foundation, Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), e Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT), insieme al telescopio Effelsberg in Germania. Il team ha riportato i suoi ultimi risultati nel Lettere per riviste astrofisiche .

Edwin Hubble, da cui prende il nome il telescopio spaziale Hubble, calcolò per la prima volta il tasso di espansione dell'universo (la costante di Hubble) nel 1929 misurando le distanze delle galassie e le loro velocità di recessione. Più una galassia è lontana, maggiore è la sua velocità di recessione dalla Terra. Oggi, la costante di Hubble rimane una proprietà fondamentale della cosmologia osservativa e un punto focale di molti studi moderni.

Misurare le velocità di recessione delle galassie è relativamente semplice. Determinazione delle distanze cosmiche, però, è stato un compito difficile per gli astronomi. Per gli oggetti nella nostra galassia della Via Lattea, gli astronomi possono ottenere le distanze misurando lo spostamento apparente nella posizione dell'oggetto se visto dai lati opposti dell'orbita terrestre attorno al Sole, un effetto chiamato parallasse. La prima misurazione della distanza di parallasse di una stella avvenne nel 1838.

Oltre la nostra Galassia, le parallasse sono troppo piccole per essere misurate, così gli astronomi si sono affidati a oggetti chiamati "candele standard, " così chiamate perché si presume che la loro luminosità intrinseca sia nota. La distanza da un oggetto di luminosità nota può essere calcolata in base a quanto l'oggetto appare fioco dalla Terra. Queste candele standard includono una classe di stelle chiamate variabili Cefeidi e un tipo specifico di esplosione stellare chiamata supernova di tipo Ia.

Un altro metodo per stimare il tasso di espansione prevede l'osservazione di quasar distanti la cui luce è piegata dall'effetto gravitazionale di una galassia in primo piano in più immagini. Quando il quasar varia di luminosità, il cambiamento appare nelle diverse immagini in momenti diversi. Misurando questa differenza di tempo, insieme ai calcoli della geometria della flessione della luce, fornisce una stima del tasso di espansione.

Le determinazioni della costante di Hubble basate sulle candele standard e sui quasar a lente gravitazionale hanno prodotto cifre di 73-74 chilometri al secondo (la velocità) per megaparsec (distanza in unità preferita dagli astronomi).

Però, le previsioni della costante di Hubble dal modello cosmologico standard quando applicate alle misurazioni del fondo cosmico a microonde (CMB) - la radiazione residua del Big Bang - producono un valore di 67,4, una differenza significativa e preoccupante. Questa differenza, che gli astronomi dicono va oltre gli errori sperimentali nelle osservazioni, ha gravi implicazioni per il modello standard.

Il modello si chiama Lambda Cold Dark Matter, o Lambda CDM, dove "Lambda" si riferisce alla costante cosmologica di Einstein ed è una rappresentazione dell'energia oscura. Il modello divide la composizione dell'Universo principalmente tra materia ordinaria, materia oscura, ed energia oscura, e descrive come l'Universo si è evoluto dal Big Bang.

Il Megamaser Cosmology Project si concentra sulle galassie con dischi di gas molecolare contenenti acqua in orbita attorno a buchi neri supermassicci al centro delle galassie. Se il disco in orbita è visto quasi di taglio dalla Terra, punti luminosi di emissione radio, chiamati maser, analoghi radio ai laser a luce visibile, possono essere utilizzati per determinare sia la dimensione fisica del disco che la sua estensione angolare, e quindi, attraverso la geometria, la sua distanza. Il team del progetto utilizza la collezione mondiale di radiotelescopi per effettuare le misurazioni di precisione richieste per questa tecnica.

Nel loro ultimo lavoro, il team ha perfezionato le misurazioni della distanza in quattro galassie, a distanze che vanno da 168 milioni di anni luce a 431 milioni di anni luce. In combinazione con le precedenti misurazioni della distanza di altre due galassie, i loro calcoli hanno prodotto un valore per la costante di Hubble di 73,9 chilometri al secondo per megaparsec.

"Testare il modello standard della cosmologia è un problema davvero impegnativo che richiede le migliori misurazioni della costante di Hubble. La discrepanza tra i valori previsti e misurati della costante di Hubble indica uno dei problemi più fondamentali di tutta la fisica, quindi vorremmo avere più, misurazioni indipendenti che confermano il problema e testano il modello. Il nostro metodo è geometrico, e completamente indipendente da tutti gli altri, e rafforza la discrepanza, " disse don Pesce, un ricercatore presso il Centro di Astrofisica | Harvard e Smithsonian, e autore principale dell'ultimo documento.

"Il metodo maser per misurare la velocità di espansione dell'universo è elegante, e, a differenza degli altri, basata sulla geometria. Misurando posizioni e dinamiche estremamente precise dei punti maser nel disco di accrescimento che circonda un buco nero distante, possiamo determinare la distanza dalle galassie ospiti e quindi il tasso di espansione. Il nostro risultato di questa tecnica unica rafforza la tesi di un problema chiave nella cosmologia osservativa", ha affermato Mark Reid del Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian, e un membro del team del Megamaser Cosmology Project.

"La nostra misurazione della costante di Hubble è molto vicina ad altre misurazioni recenti, e statisticamente molto diverso dalle previsioni basate sulla CMB e sul modello cosmologico standard. Tutte le indicazioni sono che il modello standard necessita di revisione, " disse Braatz.

Gli astronomi hanno vari modi per regolare il modello per risolvere la discrepanza. Alcuni di questi includono mutevoli presunzioni sulla natura dell'energia oscura, allontanandosi dalla costante cosmologica di Einstein. Altri guardano ai cambiamenti fondamentali nella fisica delle particelle, come cambiare i numeri oi tipi di neutrini o le possibilità di interazione tra di loro. Ci sono altre possibilità, ancora più esotico, e al momento gli scienziati non hanno prove chiare per discriminare tra loro.

"Questo è un classico caso di interazione tra osservazione e teoria. Il modello Lambda CDM ha funzionato abbastanza bene per anni, ma ora le osservazioni indicano chiaramente un problema che deve essere risolto, e sembra che il problema risieda nel modello, " disse Pesce.