Determinare la rapidità con cui l'universo si sta espandendo è la chiave per comprendere il nostro destino cosmico, ma con dati più precisi è sorto un enigma:le stime basate sulle misurazioni all'interno del nostro universo locale non concordano con le estrapolazioni dell'era poco dopo il Big Bang 13,8 miliardi di anni fa.

Una nuova stima del tasso di espansione locale:la costante di Hubble, o H0 (H-nulla):rafforza questa discrepanza.

Utilizzando una tecnica relativamente nuova e potenzialmente più precisa per misurare le distanze cosmiche, che impiega la luminosità stellare media all'interno di galassie ellittiche giganti come gradino sulla scala delle distanze, gli astronomi calcolano una velocità:73,3 chilometri al secondo per megaparsec, dare o prendere 2,5 km/sec/Mpc, che si trova nel mezzo di altre tre buone stime, inclusa la stima del gold standard delle supernove di tipo Ia. Ciò significa che per ogni megaparsec, 3,3 milioni di anni luce, o 3 miliardi di trilioni di chilometri dalla Terra, l'universo si sta espandendo di 73,3 ± 2,5 chilometri al secondo in più. La media delle altre tre tecniche è 73,5 ±1,4 km/sec/Mpc.

perplesso, stime del tasso di espansione locale basate su fluttuazioni misurate nel fondo cosmico a microonde e, indipendentemente, fluttuazioni nella densità della materia normale nell'universo primordiale (oscillazioni acustiche bariniche), dare una risposta molto diversa:67,4 ±0,5 km/sec/Mpc.

Gli astronomi sono comprensibilmente preoccupati per questa discrepanza, perché il tasso di espansione è un parametro critico nella comprensione della fisica e dell'evoluzione dell'universo ed è la chiave per comprendere l'energia oscura, che accelera il tasso di espansione dell'universo e quindi fa sì che la costante di Hubble cambi più rapidamente del previsto con l'aumentare della distanza da Terra. L'energia oscura comprende circa i due terzi della massa e dell'energia nell'universo, ma è ancora un mistero.

Per il nuovo preventivo gli astronomi hanno misurato le fluttuazioni nella luminosità superficiale di 63 galassie ellittiche giganti per determinare la distanza e hanno tracciato la distanza rispetto alla velocità per ottenere H0. La tecnica della fluttuazione della luminosità superficiale (SBF) è indipendente da altre tecniche e ha il potenziale per fornire stime della distanza più precise rispetto ad altri metodi entro circa 100 Mpc dalla Terra, o 330 milioni di anni luce. Le 63 galassie del campione si trovano a distanze comprese tra 15 e 99 Mpc, guardando indietro nel tempo una semplice frazione dell'età dell'universo.

"Per misurare le distanze delle galassie fino a 100 megaparsec, questo è un metodo fantastico, " disse il cosmologo Chung-Pei Ma, la Judy Chandler Webb Professore di Scienze Fisiche presso l'Università della California, Berkeley, e professore di astronomia e fisica. "Questo è il primo foglio che assembla un grande, insieme omogeneo di dati, su 63 galassie, per l'obiettivo di studiare H-naught utilizzando il metodo SBF."

Ma conduce l'indagine MASSIVE delle galassie locali, che ha fornito dati per 43 galassie, due terzi di quelle impiegate nella nuova analisi.

I dati su queste 63 galassie sono stati assemblati e analizzati da John Blakeslee, un astronomo con il NOIRLab della National Science Foundation. È il primo autore di un articolo ora accettato per la pubblicazione in Il Giornale Astrofisico che è stato coautore con il collega Joseph Jensen della Utah Valley University a Orem. Blakelee, che dirige il personale scientifico che supporta gli osservatori ottici e infrarossi di NSF, è un pioniere nell'uso dell'SBF per misurare le distanze delle galassie, e Jensen è stato uno dei primi ad applicare il metodo alle lunghezze d'onda dell'infrarosso. I due hanno lavorato a stretto contatto con Ma sull'analisi.

"L'intera storia dell'astronomia è, in un senso, lo sforzo di comprendere la scala assoluta dell'universo, che poi ci parla della fisica, "Blakeslee ha detto, rifacendosi al viaggio di James Cook a Tahiti nel 1769 per misurare un transito di Venere in modo che gli scienziati potessero calcolare la vera dimensione del sistema solare. "Il metodo SBF è più ampiamente applicabile alla popolazione generale di galassie evolute nell'universo locale, e certamente se otteniamo abbastanza galassie con il James Webb Space Telescope, questo metodo ha il potenziale per fornire la migliore misurazione locale della costante di Hubble".

Il telescopio spaziale James Webb, 100 volte più potente del telescopio spaziale Hubble, è previsto per il lancio nel mese di ottobre.

Galassie ellittiche giganti

La costante di Hubble è stata oggetto di contesa per decenni, da quando Edwin Hubble ha misurato per la prima volta il tasso di espansione locale e ha fornito una risposta sette volte superiore, implicando che l'universo era in realtà più giovane delle sue stelle più antiche. Il problema, allora e ora, sta nell'individuare la posizione degli oggetti nello spazio che danno pochi indizi su quanto siano lontani.

Gli astronomi nel corso degli anni hanno scalato distanze maggiori, iniziando con il calcolo della distanza dagli oggetti abbastanza vicini da sembrare che si muovano leggermente, a causa della parallasse, mentre la Terra orbita attorno al sole. Le stelle variabili chiamate Cefeidi ti portano più lontano, perché la loro luminosità è legata al loro periodo di variabilità, e le supernove di tipo Ia ti portano ancora più lontano, perché sono esplosioni estremamente potenti che, al loro apice, risplendi luminoso come un'intera galassia. Sia per le Cefeidi che per le supernove di tipo Ia, è possibile capire la luminosità assoluta dal modo in cui cambiano nel tempo, e quindi la distanza può essere calcolata dalla loro luminosità apparente vista dalla Terra.

La migliore stima attuale di H0 proviene dalle distanze determinate dalle esplosioni di supernova di tipo Ia in galassie lontane, sebbene i metodi più recenti (ritardi temporali causati dalla lente gravitazionale di quasar distanti e la luminosità dei maser d'acqua in orbita attorno ai buchi neri) diano tutti circa lo stesso numero.

La tecnica che utilizza le fluttuazioni di luminosità della superficie è una delle più recenti e si basa sul fatto che le galassie ellittiche giganti sono vecchie e hanno una popolazione consistente di vecchie stelle, principalmente stelle giganti rosse, che possono essere modellate per fornire una luminosità infrarossa media sulla loro superficie. I ricercatori hanno ottenuto immagini a infrarossi ad alta risoluzione di ciascuna galassia con la Wide Field Camera 3 del telescopio spaziale Hubble e hanno determinato quanto ogni pixel dell'immagine differisse dalla "media":più fluide sono le fluttuazioni sull'intera immagine, più lontana è la galassia, una volta apportate le correzioni per imperfezioni come regioni luminose di formazione stellare, che gli autori escludono dall'analisi.

Né Blakeslee né Ma erano sorpresi che il tasso di espansione fosse vicino a quello delle altre misurazioni locali. Ma sono ugualmente confusi dall'evidente conflitto con le stime dell'universo primordiale, un conflitto che secondo molti astronomi significa che le nostre attuali teorie cosmologiche sono sbagliate, o quantomeno incompleto.

Le estrapolazioni dall'universo primordiale si basano sulla teoria cosmologica più semplice, chiamata materia oscura fredda lambda, o ΛCDM, che impiega solo pochi parametri per descrivere l'evoluzione dell'universo. La nuova stima porta un paletto nel cuore di ΛCDM?

"Penso che spinga quella posta in gioco un po' di più, " Blakeslee ha detto. "Ma esso (ΛCDM) è ancora vivo. Alcune persone pensano, riguardo a tutte queste misurazioni locali, (che) gli osservatori si sbagliano. Ma sta diventando sempre più difficile fare questa affermazione:richiederebbe la presenza di errori sistematici nella stessa direzione per diversi metodi:supernovae, SBF, lente gravitazionale, maser d'acqua. Così, man mano che otteniamo misurazioni più indipendenti, quella posta in gioco è un po' più profonda."

Ma si chiede se le incertezze che gli astronomi attribuiscono alle loro misurazioni, che riflettono sia errori sistematici che errori statistici, sono troppo ottimista, e che forse le due gamme di stime possono ancora essere conciliate.

"La giuria è fuori, " ha detto. "Penso che sia davvero nelle barre di errore. Ma supponendo che le barre di errore di tutti non siano sottovalutate, la tensione sta diventando sgradevole".

Infatti, uno dei giganti del campo, l'astronoma Wendy Freedman, ha recentemente pubblicato uno studio che fissa la costante di Hubble a 69,8 ± 1,9 km/sec/Mpc, agitando ulteriormente le acque. L'ultimo risultato di Adam Riess, un astronomo che ha condiviso il Premio Nobel per la Fisica nel 2011 per aver scoperto l'energia oscura, riporta 73,2 ±1,3 km/sec/Mpc. Riess era un Miller Postdoctoral Fellow presso l'UC Berkeley quando ha svolto questa ricerca, e ha condiviso il premio con l'UC Berkeley e il fisico del Berkeley Lab Saul Perlmutter.

ENORMI galassie

Il nuovo valore di H0 è un sottoprodotto di altre due indagini di galassie vicine, in particolare, Il MASSIVE sondaggio di Ma, che utilizza telescopi spaziali e terrestri per studiare in modo esauriente le 100 galassie più massicce entro circa 100 Mpc dalla Terra. Uno degli obiettivi principali è pesare i buchi neri supermassicci al centro di ciascuno di essi.

Fare quello, sono necessarie distanze precise, e il metodo SBF è il migliore fino ad oggi, lei disse. Il team di indagine MASSIVE ha utilizzato questo metodo l'anno scorso per determinare la distanza di una galassia ellittica gigante, NGC 1453, nella costellazione del cielo meridionale di Eridano. Combinando quella distanza, 166 milioni di anni luce, con ampi dati spettroscopici dai telescopi Gemini e McDonald, che hanno permesso agli studenti laureati di Ma Chris Liepold e Matthew Quenneville di misurare le velocità delle stelle vicino al centro della galassia, hanno concluso che NGC 1453 ha un buco nero centrale con una massa di quasi 3 miliardi di volte quella del sole.

Per determinare H0, Blakeslee ha calcolato le distanze SBF da 43 delle galassie nel rilevamento MASSIVE, basato su 45-90 minuti di tempo di osservazione HST per ciascuna galassia. Gli altri 20 provenivano da un'altra indagine che utilizzava l'HST per l'immagine di grandi galassie, in particolare quelli in cui sono state rilevate supernove di tipo Ia.

La maggior parte delle 63 galassie ha tra gli 8 e i 12 miliardi di anni, il che significa che contengono una grande popolazione di vecchie stelle rosse, che sono fondamentali per il metodo SBF e possono essere utilizzati anche per migliorare la precisione dei calcoli della distanza. Nella carta, Blakeslee ha impiegato sia le stelle variabili Cefeidi sia una tecnica che utilizza le stelle giganti rosse più luminose di una galassia, indicate come la punta del ramo della gigante rossa, o tecnica TRGB, per scalare le galassie a grandi distanze. Hanno prodotto risultati coerenti. La tecnica TRGB tiene conto del fatto che le giganti rosse più brillanti nelle galassie hanno circa la stessa luminosità assoluta.

"L'obiettivo è rendere questo metodo SBF completamente indipendente dal metodo della supernova di tipo Ia calibrato con Cefeidi utilizzando il James Webb Space Telescope per ottenere una calibrazione del ramo della gigante rossa per gli SBF, " Egli ha detto.

"Il telescopio James Webb ha il potenziale per ridurre davvero le barre di errore per SBF, " aggiunse la mamma. Ma per ora, le due misure discordanti della costante di Hubble dovranno imparare a convivere.

"Non avevo intenzione di misurare H0; è stato un ottimo prodotto della nostra indagine, " ha detto. "Ma io sono un cosmologo e sto guardando questo con grande interesse."