Utilizzando due dei più potenti telescopi spaziali del mondo, l'Hubble della NASA e il Gaia dell'ESA, gli astronomi hanno effettuato le misurazioni più precise fino ad oggi del tasso di espansione dell'universo. Questo viene calcolato misurando le distanze tra le galassie vicine utilizzando speciali tipi di stelle chiamate variabili Cefeidi come parametri cosmici. Confrontando la loro luminosità intrinseca misurata da Hubble, con la loro apparente luminosità vista dalla Terra, gli scienziati possono calcolare le loro distanze. Gaia perfeziona ulteriormente questo parametro misurando geometricamente le distanze dalle variabili Cefeidi all'interno della nostra galassia della Via Lattea. Ciò ha permesso agli astronomi di calibrare con maggiore precisione le distanze dalle Cefeidi che si vedono nelle galassie esterne. Credito:NASA, ESA, e A. Feild (STScI)
Utilizzando la potenza e la sinergia di due telescopi spaziali, gli astronomi hanno effettuato la misurazione più precisa fino ad oggi del tasso di espansione dell'universo.
I risultati alimentano ulteriormente la mancata corrispondenza tra le misurazioni per il tasso di espansione dell'universo vicino, e quelli del lontano, universo primordiale, prima ancora che esistessero stelle e galassie.
Questa cosiddetta "tensione" implica che potrebbe esserci una nuova fisica alla base delle fondamenta dell'universo. Le possibilità includono la forza di interazione della materia oscura, l'energia oscura è ancora più esotica di quanto si pensasse in precedenza, o una nuova particella sconosciuta nell'arazzo dello spazio.
Combinando le osservazioni del telescopio spaziale Hubble della NASA e dell'osservatorio spaziale Gaia dell'Agenzia spaziale europea (ESA), gli astronomi hanno ulteriormente perfezionato il valore precedente per la costante di Hubble, la velocità con cui l'universo si sta espandendo dal big bang 13,8 miliardi di anni fa.
Ma poiché le misurazioni sono diventate più precise, la determinazione della costante di Hubble da parte del team è diventata sempre più in contrasto con le misurazioni di un altro osservatorio spaziale, La missione Planck dell'ESA, che sta arrivando con un diverso valore previsto per la costante di Hubble.
Planck ha mappato l'universo primordiale come appariva solo a 360, 000 anni dopo il big bang. L'intero cielo è impresso con la firma del big bang codificata nelle microonde. Planck ha misurato le dimensioni delle increspature in questo Cosmic Microwave Background (CMB) che sono state prodotte da leggere irregolarità nella palla di fuoco del big bang. I dettagli fini di queste increspature codificano quanta materia oscura e materia normale ci sia, la traiettoria dell'universo in quel momento, e altri parametri cosmologici.
Queste misurazioni, ancora in fase di valutazione, consentire agli scienziati di prevedere come l'universo primordiale si sarebbe probabilmente evoluto fino al tasso di espansione che possiamo misurare oggi. Però, quelle previsioni non sembrano corrispondere alle nuove misurazioni del nostro vicino universo contemporaneo.
"Con l'aggiunta di questi nuovi dati Gaia e Hubble Space Telescope, ora abbiamo una seria tensione con i dati Cosmic Microwave Background, " ha affermato George Efstathiou, membro del team di Planck e analista capo del Kavli Institute for Cosmology di Cambridge, Inghilterra, che non era coinvolto nel nuovo lavoro.
"La tensione sembra essersi trasformata in una vera e propria incompatibilità tra le nostre visioni dell'universo del primo e del tardo tempo, " ha affermato il leader del team e premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute e della Johns Hopkins University di Baltimora, Maryland. "A questo punto, chiaramente non si tratta semplicemente di un errore grossolano in una qualsiasi misurazione. È come se avessi previsto quanto sarebbe diventato alto un bambino da un grafico di crescita e poi avessi scoperto che l'adulto in cui è diventato ha superato di gran lunga la previsione. Siamo molto perplessi".
Nel 2005, Riess e i membri del team SHOES (Supernova H0 for the Equation of State) hanno deciso di misurare il tasso di espansione dell'universo con una precisione senza precedenti. Negli anni successivi, affinando le proprie tecniche, questo team ha ridotto l'incertezza della misurazione del tasso a livelli senza precedenti. Ora, con la potenza di Hubble e Gaia combinate, hanno ridotto tale incertezza ad appena il 2,2 per cento.
Poiché la costante di Hubble è necessaria per stimare l'età dell'universo, la risposta a lungo cercata è uno dei numeri più importanti in cosmologia. Prende il nome dall'astronomo Edwin Hubble, che quasi un secolo fa scoprì che l'universo si stava espandendo uniformemente in tutte le direzioni, una scoperta che diede vita alla moderna cosmologia.
Le galassie sembrano allontanarsi dalla Terra in proporzione alle loro distanze, nel senso che più sono lontani, più velocemente sembrano allontanarsi. Questa è una conseguenza dell'espansione dello spazio, e non un valore di vera velocità spaziale. Misurando il valore della costante di Hubble nel tempo, gli astronomi possono costruire un quadro della nostra evoluzione cosmica, dedurre la composizione dell'universo, and uncover clues concerning its ultimate fate.
The two major methods of measuring this number give incompatible results. One method is direct, building a cosmic "distance ladder" from measurements of stars in our local universe. The other method uses the CMB to measure the trajectory of the universe shortly after the big bang and then uses physics to describe the universe and extrapolate to the present expansion rate. Insieme, the measurements should provide an end-to-end test of our basic understanding of the so-called "Standard Model" of the universe. Però, the pieces don't fit.
Using Hubble and newly released data from Gaia, Riess' team measured the present rate of expansion to be 73.5 kilometers (45.6 miles) per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it appears to be moving 73.5 kilometers per second faster. Però, the Planck results predict the universe should be expanding today at only 67.0 kilometers (41.6 miles) per second per megaparsec. As the teams' measurements have become more and more precise, the chasm between them has continued to widen, and is now about four times the size of their combined uncertainty.
Negli anni, Riess' team has refined the Hubble constant value by streamlining and strengthening the "cosmic distance ladder, " used to measure precise distances to nearby and far-off galaxies. They compared those distances with the expansion of space, measured by the stretching of light from nearby galaxies. Using the apparent outward velocity at each distance, they then calculated the Hubble constant.
To gauge the distances between nearby galaxies, his team used a special type of star as cosmic yardsticks or milepost markers. These pulsating stars, called Cepheid variables, brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness. By comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth, scientists can calculate their distances.
Gaia further refined this yardstick by geometrically measuring the distance to 50 Cepheid variables in the Milky Way. These measurements were combined with precise measurements of their brightnesses from Hubble. This allowed the astronomers to more accurately calibrate the Cepheids and then use those seen outside the Milky Way as milepost markers.
"When you use Cepheids, you need both distance and brightness, " explained Riess. Hubble provided the information on brightness, and Gaia provided the parallax information needed to accurately determine the distances. Parallax is the apparent change in an object's position due to a shift in the observer's point of view. Ancient Greeks first used this technique to measure the distance from Earth to the Moon.
"Hubble is really amazing as a general-purpose observatory, but Gaia is the new gold standard for calibrating distance. It is purpose-built for measuring parallax—this is what it was designed to do, " Stefano Casertano of the Space Telescope Science Institute and a member of the SHOES team added. "Gaia brings a new ability to recalibrate all past distance measures, and it seems to confirm our previous work. We get the same answer for the Hubble constant if we replace all previous calibrations of the distance ladder with just the Gaia parallaxes. It's a crosscheck between two very powerful and precise observatories."
The goal of Riess' team is to work with Gaia to cross the threshold of refining the Hubble constant to a value of only one percent by the early 2020s. Nel frattempo, astrophysicists will likely continue to grapple with revisiting their ideas about the physics of the early universe.
The Riess team's latest results are published in the July 12 issue of the Giornale Astrofisico .
