Venti anni fa, gli scienziati sono rimasti scioccati nel rendersi conto che il nostro universo non si sta solo espandendo, ma che si sta espandendo più velocemente nel tempo.

Individuando l'esatto tasso di espansione, chiamata la costante di Hubble in onore del famoso astronomo e alunno dell'Università di Chicago Edwin Hubble, è stato sorprendentemente difficile. Da allora gli scienziati hanno utilizzato due metodi per calcolare il valore, e sputano fuori risultati penosamente diversi. Ma la sorprendente cattura dell'anno scorso delle onde gravitazionali che si irradiano da una collisione di una stella di neutroni ha offerto un terzo modo per calcolare la costante di Hubble.

Quello era solo un singolo punto dati da una collisione, ma in un nuovo articolo pubblicato il 17 ottobre in Natura , tre scienziati dell'Università di Chicago stimano che, data la rapidità con cui i ricercatori hanno visto la prima collisione di stelle di neutroni, potrebbero avere una misurazione molto accurata della costante di Hubble entro cinque-dieci anni.

"La costante di Hubble ti dice le dimensioni e l'età dell'universo; è stato un santo graal sin dalla nascita della cosmologia. Calcolarlo con le onde gravitazionali potrebbe darci una prospettiva completamente nuova sull'universo, " ha detto l'autore dello studio Daniel Holz, un professore di fisica dell'Università di Chicago che è stato coautore del primo calcolo di questo tipo dalla scoperta del 2017. "La domanda è:quando cambia il gioco per la cosmologia?"

Nel 1929, Edwin Hubble ha annunciato che sulla base delle sue osservazioni di galassie oltre la Via Lattea, sembravano allontanarsi da noi, e più lontana è la galassia, più velocemente si stava ritirando. Questa è una pietra angolare della teoria del Big Bang, e ha dato il via a una ricerca lunga quasi un secolo per la velocità esatta con cui questo sta accadendo.

Per calcolare la velocità di espansione dell'universo, gli scienziati hanno bisogno di due numeri. Uno è la distanza da un oggetto lontano; l'altro è la velocità con cui l'oggetto si sta allontanando da noi a causa dell'espansione dell'universo. Se riesci a vederlo con un telescopio, la seconda quantità è relativamente facile da determinare, perché la luce che vedi quando guardi una stella lontana si sposta nel rosso mentre si allontana. Gli astronomi hanno usato questo trucco per vedere quanto velocemente si muove un oggetto per più di un secolo:è come l'effetto Doppler, in cui una sirena cambia tono al passaggio di un'ambulanza.

"Domande importanti nei calcoli"

Ma ottenere una misura esatta della distanza è molto più difficile. Tradizionalmente, gli astrofisici hanno usato una tecnica chiamata scala delle distanze cosmiche, in cui la luminosità di alcune stelle variabili e supernove può essere utilizzata per costruire una serie di confronti che raggiungano l'oggetto in questione. "Il problema è, se graffi sotto la superficie, ci sono molti passaggi con molte ipotesi lungo la strada, "Ha detto Holz.

Forse le supernove usate come marcatori non sono coerenti come si pensava. Forse stiamo scambiando alcuni tipi di supernova per altri, o c'è qualche errore sconosciuto nella nostra misurazione delle distanze dalle stelle vicine. "C'è un sacco di astrofisica complicata che potrebbe eliminare le letture in diversi modi, " Egli ha detto.

L'altro modo principale per calcolare la costante di Hubble è guardare il fondo cosmico a microonde:l'impulso di luce creato all'inizio dell'universo, che è ancora debolmente rilevabile. Pur essendo anche utile, questo metodo si basa anche su ipotesi su come funziona l'universo.

La cosa sorprendente è che anche se gli scienziati che eseguono ogni calcolo sono fiduciosi sui loro risultati, non corrispondono. Uno dice che l'universo si sta espandendo quasi il 10% più velocemente dell'altro. "Questa è una domanda importante in cosmologia in questo momento, " ha detto il primo autore dello studio, Hsin Yu Chen, poi studente laureato alla UChicago e ora membro della Black Hole Initiative dell'Università di Harvard.

Quindi i rivelatori LIGO hanno rilevato la loro prima increspatura nel tessuto dello spazio-tempo dalla collisione di due stelle l'anno scorso. Questo non solo ha scosso l'osservatorio, ma il campo dell'astronomia stesso:essere in grado sia di sentire l'onda gravitazionale che di vedere la luce delle conseguenze della collisione con un telescopio ha dato agli scienziati un nuovo potente strumento. "Era una specie di imbarazzo della ricchezza, "Ha detto Holz.

Le onde gravitazionali offrono un modo completamente diverso per calcolare la costante di Hubble. Quando due stelle massicce si scontrano l'una con l'altra, inviano increspature nel tessuto dello spazio-tempo che possono essere rilevate sulla Terra. Misurando quel segnale, gli scienziati possono ottenere una firma della massa e dell'energia delle stelle in collisione. Quando confrontano questa lettura con la forza delle onde gravitazionali, possono dedurre quanto è lontano.

Questa misurazione è più pulita e contiene meno ipotesi sull'universo, che dovrebbe renderlo più preciso, ha detto Holz. Insieme a Scott Hughes al MIT, ha suggerito l'idea di effettuare questa misurazione con le onde gravitazionali abbinate alle letture del telescopio nel 2005. L'unica domanda è quanto spesso gli scienziati potrebbero catturare questi eventi, e quanto buoni sarebbero i dati da loro.

"Diventerà solo più interessante"

Il documento prevede che una volta che gli scienziati hanno rilevato 25 letture da collisioni di stelle di neutroni, misureranno l'espansione dell'universo con una precisione del 3%. Con 200 letture, quel numero si riduce all'1 per cento.

"È stata una sorpresa per me quando siamo entrati nelle simulazioni, " Chen ha detto. "Era chiaro che potevamo raggiungere la precisione, e potremmo raggiungerlo velocemente."

Un nuovo numero preciso per la costante di Hubble sarebbe affascinante, indipendentemente dalla risposta, hanno detto gli scienziati. Per esempio, una possibile ragione per la mancata corrispondenza negli altri due metodi è che la natura della gravità stessa potrebbe essere cambiata nel tempo. La lettura potrebbe anche far luce sull'energia oscura, una forza misteriosa responsabile dell'espansione dell'universo.

"Con la collisione che abbiamo visto l'anno scorso, siamo stati fortunati, era vicino a noi, quindi è stato relativamente facile da trovare e analizzare, "ha detto Maya Fishbach, uno studente laureato all'Università di Chicago e l'altro autore del documento. "Le rilevazioni future saranno molto più lontane, ma una volta che avremo la prossima generazione di telescopi, dovremmo essere in grado di trovare controparti anche per questi rilevamenti lontani".

I rivelatori LIGO dovrebbero iniziare una nuova corsa osservativa nel febbraio 2019, uniti dai loro omologhi italiani a VIRGO. Grazie ad un aggiornamento, la sensibilità dei rivelatori sarà molto più alta, espandendo il numero e la distanza degli eventi astronomici che possono rilevare.

"Diventerà solo più interessante da qui, "Ha detto Holz.