Da quando è esploso per la prima volta 13,8 miliardi di anni fa, l'universo si è espanso, trascinando con sé centinaia di miliardi di galassie e stelle, proprio come l'uvetta in un impasto che lievita rapidamente.

Gli astronomi hanno puntato i telescopi verso determinate stelle e altre fonti cosmiche per misurare la loro distanza dalla Terra e la velocità con cui si stanno allontanando da noi, due parametri essenziali per stimare la costante di Hubble, un'unità di misura che descrive la velocità di espansione dell'universo.

Ma ad oggi, gli sforzi più precisi sono atterrati su valori molto diversi della costante di Hubble, offrendo alcuna risoluzione definitiva su quanto velocemente l'universo sta crescendo. Questa informazione, gli scienziati credono, potrebbe far luce sulle origini dell'universo, così come il suo destino, e se il cosmo si espanderà indefinitamente o alla fine collasserà.

Ora gli scienziati del MIT e dell'Università di Harvard hanno proposto un modo più accurato e indipendente per misurare la costante di Hubble, usando onde gravitazionali emesse da un sistema relativamente raro:una binaria buco nero-stella di neutroni, un accoppiamento estremamente energetico di un buco nero a spirale e una stella di neutroni. Mentre questi oggetti ruotano l'uno verso l'altro, dovrebbero produrre onde gravitazionali che scuotono lo spazio e un lampo di luce quando alla fine si scontrano.

In un articolo che sarà pubblicato il 12 luglio in Lettere di revisione fisica , i ricercatori riferiscono che il lampo di luce darebbe agli scienziati una stima della velocità del sistema, o quanto velocemente si sta allontanando dalla Terra. Le onde gravitazionali emesse, se rilevato sulla Terra, dovrebbe fornire una misurazione indipendente e precisa della distanza del sistema. Anche se i binari binari buco nero-stella di neutroni sono incredibilmente rari, i ricercatori calcolano che rilevarne anche solo alcuni dovrebbe produrre il valore più accurato finora per la costante di Hubble e la velocità dell'universo in espansione.

"Le binarie buco nero-stella di neutroni sono sistemi molto complicati, di cui sappiamo ben poco, "dice Salvatore Vitale, assistente professore di fisica al MIT e autore principale dell'articolo. "Se ne rileviamo uno, il premio è che possono potenzialmente dare un contributo drammatico alla nostra comprensione dell'universo."

Il coautore di Vitale è Hsin-Yu Chen di Harvard.

Costanti concorrenti

Recentemente sono state effettuate due misurazioni indipendenti della costante di Hubble, uno che utilizza il telescopio spaziale Hubble della NASA e un altro che utilizza il satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea. La misurazione del telescopio spaziale Hubble si basa sulle osservazioni di un tipo di stella noto come variabile Cefeide, così come sulle osservazioni di supernovae. Entrambi questi oggetti sono considerati "candele standard, " per il loro schema prevedibile di luminosità, che gli scienziati possono utilizzare per stimare la distanza e la velocità della stella.

L'altro tipo di stima si basa sull'osservazione delle fluttuazioni del fondo cosmico a microonde:la radiazione elettromagnetica rimasta nell'immediato periodo successivo al Big Bang, quando l'universo era ancora nella sua infanzia. Sebbene le osservazioni di entrambe le sonde siano estremamente precise, le loro stime della costante di Hubble non sono d'accordo in modo significativo.

"È qui che entra in gioco LIGO, "dice Vitale.

LIGO, o l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser, rileva le onde gravitazionali, increspature nella gelatina dello spazio-tempo, prodotto da fenomeni astrofisici catastrofici.

"Le onde gravitazionali forniscono un modo molto diretto e semplice per misurare le distanze delle loro sorgenti, " Dice Vitale. "Quello che rileviamo con LIGO è un'impronta diretta della distanza dalla sorgente, senza ulteriori analisi."

Nel 2017, gli scienziati hanno avuto la prima possibilità di stimare la costante di Hubble da una sorgente di onde gravitazionali, quando LIGO e la sua controparte italiana Virgo hanno rilevato per la prima volta una coppia di stelle di neutroni in collisione. La collisione ha rilasciato un'enorme quantità di onde gravitazionali, che i ricercatori hanno misurato per determinare la distanza del sistema dalla Terra. La fusione ha anche rilasciato un lampo di luce, su cui gli astronomi si sono concentrati con telescopi terrestri e spaziali per determinare la velocità del sistema.

Con entrambe le misurazioni, gli scienziati hanno calcolato un nuovo valore per la costante di Hubble. Però, la stima è arrivata con un'incertezza relativamente grande del 14 percento, molto più incerto dei valori calcolati utilizzando il telescopio spaziale Hubble e il satellite Planck.

Vitale dice che gran parte dell'incertezza deriva dal fatto che può essere difficile interpretare la distanza di una stella binaria di neutroni dalla Terra usando le onde gravitazionali che questo particolare sistema emette.

"Misuriamo la distanza osservando quanto è 'forte' l'onda gravitazionale, significa quanto è chiaro nei nostri dati, " dice Vitale. "Se è molto chiaro, puoi vedere quanto è rumoroso, e questo dà la distanza. Ma questo è vero solo in parte per le stelle binarie di neutroni".

Questo perché questi sistemi, che creano un vorticoso disco di energia mentre due stelle di neutroni si avvicinano a spirale l'una verso l'altra, emettono onde gravitazionali in modo irregolare. La maggior parte delle onde gravitazionali esce direttamente dal centro del disco, mentre una frazione molto più piccola fuoriesce dai bordi. Se gli scienziati rilevano un segnale di onde gravitazionali "forte", potrebbe indicare uno dei due scenari:le onde rilevate provenivano dal bordo di un sistema molto vicino alla Terra, o le onde emanate dal centro di un sistema molto più lontano.

"Con le binarie di stelle di neutroni, è molto difficile distinguere tra queste due situazioni, "dice Vitale.

Una nuova ondata

Nel 2014, prima che LIGO facesse il primo rilevamento delle onde gravitazionali, Vitale e i suoi colleghi hanno osservato che un sistema binario composto da un buco nero e una stella di neutroni potrebbe fornire una misurazione della distanza più accurata, rispetto alle binarie di stelle di neutroni. Il team stava studiando quanto accuratamente si potesse misurare la rotazione di un buco nero, dato che è noto che gli oggetti ruotano sui loro assi, simile alla Terra ma molto più rapidamente.

I ricercatori hanno simulato una varietà di sistemi con buchi neri, comprese le binarie buco nero-stella di neutroni e le binarie di stelle di neutroni. Come sottoprodotto di questo sforzo, il team ha notato che erano in grado di determinare con maggiore precisione la distanza delle binarie buco nero-stella di neutroni, rispetto alle binarie di stelle di neutroni. Vitale dice che questo è dovuto alla rotazione del buco nero intorno alla stella di neutroni, che può aiutare gli scienziati a individuare meglio da dove nel sistema vengono emanate le onde gravitazionali.

"Grazie a questa migliore misurazione della distanza, Pensavo che le binarie buco nero-stella di neutroni potessero essere una sonda competitiva per misurare la costante di Hubble, "dice Vitale. "Da allora, molto è successo con LIGO e la scoperta delle onde gravitazionali, e tutto questo è stato messo nel dimenticatoio."

Vitale è tornato di recente alla sua osservazione originale, e in questo nuovo documento, si proponeva di rispondere a una domanda teorica:

"Il fatto che ogni binario buco nero-stella di neutroni mi darà una distanza migliore va a compensare il fatto che potenzialmente, ce ne sono molti meno nell'universo delle binarie di stelle di neutroni?" dice Vitale.

Per rispondere a questa domanda, il team ha eseguito simulazioni per prevedere il verificarsi di entrambi i tipi di sistemi binari nell'universo, così come la precisione delle loro misurazioni della distanza. Dai loro calcoli, hanno concluso che, anche se i sistemi binari di neutroni fossero più numerosi dei sistemi buco nero-stella di neutroni di 50-1, il secondo produrrebbe una costante di Hubble simile in accuratezza al primo.

Più ottimisticamente, se le binarie buco nero-stella di neutroni fossero leggermente più comuni, ma ancora più raro delle binarie di stelle di neutroni, il primo produrrebbe una costante di Hubble che è quattro volte più accurata.

"Finora, le persone si sono concentrate sulle stelle di neutroni binarie come un modo per misurare la costante di Hubble con le onde gravitazionali, Vitale dice. "Abbiamo dimostrato che esiste un altro tipo di sorgente di onde gravitazionali che finora non è stato sfruttato tanto:buchi neri e stelle di neutroni che si muovono a spirale insieme, " afferma Vitale. "LIGO riprenderà a rilevare i dati a gennaio 2019, e sarà molto più sensibile, il che significa che saremo in grado di vedere oggetti più lontani. Quindi LIGO dovrebbe vedere almeno una binaria buco nero-stella di neutroni, e ben 25, che aiuterà a risolvere la tensione esistente nella misurazione della costante di Hubble, speriamo nei prossimi anni».