La mattina del 17 agosto, 2017, dopo aver viaggiato per più di cento milioni di anni, le scosse di assestamento di una massiccia collisione in una galassia lontana, lontano finalmente raggiunse la Terra.

Queste increspature nel tessuto dello spaziotempo, chiamate onde gravitazionali, allarmi scattati su due rilevatori ultrasensibili chiamati LIGO, mandando testi volanti e scienziati che si arrampicano. Uno degli scienziati era il prof. Daniel Holz dell'Università di Chicago. La scoperta gli aveva fornito le informazioni di cui aveva bisogno per effettuare una nuova misurazione rivoluzionaria di uno dei numeri più importanti dell'astrofisica: la costante di Hubble, che è la velocità con cui l'universo si espande.

La costante di Hubble contiene le risposte alle grandi domande sull'universo, come le sue dimensioni, età e storia, ma i due modi principali per determinarne il valore hanno prodotto risultati significativamente differenti. Ora c'era una terza via, che potrebbe risolvere una delle questioni più urgenti in astronomia, o potrebbe consolidare il sospetto strisciante, tenuto da molti nel campo, che c'è qualcosa di sostanziale che manca al nostro modello dell'universo.

"In un lampo, abbiamo avuto un nuovo di zecca, modo completamente indipendente per effettuare una misura di una delle grandezze più profonde della fisica, " disse Holz. "Quel giorno ricorderò tutta la mia vita."

Quando LIGO torna indietro il 1 aprile, Holz e altri scienziati si stanno preparando per più dati che potrebbero far luce su alcune delle più grandi domande dell'universo.

Domande universali

Sappiamo che l'universo si sta espandendo da molto tempo (da quando l'eminente astronomo e allievo di Chicago Edwin Hubble ha effettuato la prima misurazione dell'espansione nel 1929, infatti) ma nel 1998, gli scienziati sono rimasti sbalorditi nello scoprire che il tasso di espansione non sta rallentando con l'invecchiamento dell'universo, ma in realtà accelerando nel tempo. Nei decenni successivi, mentre cercavano di determinare con precisione il tasso, è diventato evidente che metodi diversi per misurare il tasso producono risposte diverse.

Uno dei due metodi misura la luminosità delle supernovae – stelle che esplodono – in galassie lontane; l'altro osserva minuscole fluttuazioni nel fondo cosmico a microonde, la debole luce lasciata dal Big Bang. Gli scienziati lavorano da due decenni per aumentare l'accuratezza e la precisione di ogni misurazione, e per escludere eventuali effetti che potrebbero compromettere i risultati; ma i due valori sono ancora ostinatamente in disaccordo di quasi il 10 percento.

Poiché il metodo della supernova esamina oggetti relativamente vicini, e lo sfondo cosmico a microonde è molto più antico, è possibile che entrambi i metodi siano corretti e che qualcosa di profondo nell'universo sia cambiato dall'inizio dei tempi.

"Non sappiamo se uno o entrambi gli altri metodi hanno qualche tipo di errore sistematico, o se effettivamente riflettono una verità fondamentale sull'universo che manca ai nostri modelli attuali, " disse Holz. "Entrambi è possibile."

Holz ha visto la possibilità per un terzo, modo completamente indipendente per misurare la costante di Hubble, ma dipenderebbe da una combinazione di fortuna e prodezze ingegneristiche estreme.

La "sirena standard"

Nel 2005, Holz ha scritto un articolo con Scott Hughes del Massachusetts Institute of Technology suggerendo che sarebbe possibile calcolare la costante di Hubble attraverso una combinazione di onde gravitazionali e luce. Hanno chiamato queste fonti "sirene standard, " un cenno a "candele standard", che si riferisce alle supernove utilizzate per effettuare la misurazione della costante di Hubble.

Ma prima ci vorrebbero anni per sviluppare una tecnologia in grado di rilevare qualcosa di effimero come le increspature nel tessuto dello spaziotempo. Questo è LIGO:un insieme di enormi, rivelatori estremamente sensibili che sono sintonizzati per captare le onde gravitazionali emesse quando accade qualcosa di grosso da qualche parte nell'universo.

Il 17 agosto Le onde del 2017 provenivano da due stelle di neutroni estremamente pesanti, che si erano girate a spirale l'una intorno all'altra in una galassia lontana prima di scontrarsi finalmente insieme a una velocità prossima alla velocità della luce. La collisione ha inviato onde gravitazionali in tutto l'universo e ha anche rilasciato un'esplosione di luce, che è stata rilevata dai telescopi sulla Terra e intorno a essa.

Quell'esplosione di luce è stata ciò che ha mandato in tilt il mondo scientifico. LIGO aveva già rilevato letture di onde gravitazionali, ma tutti i precedenti provenivano da collisioni di due buchi neri, che non può essere visto con i telescopi convenzionali.

Ma potevano vedere la luce delle stelle di neutroni in collisione, e la combinazione di onde e luce ha sbloccato un tesoro di ricchezze scientifiche. Tra queste c'erano le due informazioni di cui Holz aveva bisogno per fare il calcolo della costante di Hubble.

Come funziona il metodo?

Per effettuare questa misurazione della costante di Hubble (dal nome dello scienziato pioniere e allievo dell'Università di Chicago Edwin Hubble), devi sapere quanto velocemente un oggetto, come una coppia di stelle di neutroni appena collise, si sta allontanando dalla Terra, e quanto lontano fosse per cominciare. L'equazione è sorprendentemente semplice. Sembra così:la costante di Hubble è la velocità dell'oggetto divisa per la distanza dall'oggetto, o H=v/g.

Un po' controintuitivamente, la parte più facile da calcolare è la velocità con cui si muove l'oggetto. Grazie al bagliore luminoso emesso dalla collisione, gli astronomi potrebbero puntare i telescopi verso il cielo e individuare la galassia in cui le stelle di neutroni si sono scontrate. Quindi possono sfruttare un fenomeno chiamato redshift:quando un oggetto lontano si allontana da noi, il colore della luce che emette si sposta leggermente verso l'estremità rossa dello spettro. Misurando il colore della luce della galassia, possono usare questo arrossamento per stimare quanto velocemente la galassia si sta allontanando da noi. Questo è un trucco secolare per gli astronomi.

La parte più difficile è ottenere una misura accurata della distanza dall'oggetto. È qui che entrano in gioco le onde gravitazionali. Il segnale raccolto dai rilevatori LIGO viene interpretato come una curva, come questo:

La forma del segnale dice agli scienziati quanto erano grandi le due stelle e quanta energia emetteva la collisione. Confrontandolo con quanto erano forti le onde quando hanno raggiunto la Terra, potevano dedurre quanto lontane dovevano essere le stelle.

Il valore iniziale di questa sirena standard è risultato di 70 chilometri al secondo per megaparsec. È proprio tra gli altri due metodi, che ne trovano circa 73 (dal metodo della supernova) e 67 (dal fondo cosmico a microonde).

Certo, questo è solo un singolo punto dati. Ma i rilevatori LIGO si stanno riaccendendo dopo un aggiornamento per aumentare la loro sensibilità. Mentre nessuno sa con precisione con quale frequenza le stelle di neutroni si scontrano, Holz è coautore di un articolo in cui stima che il metodo delle onde gravitazionali può fornire un rivoluzionario, misurazione estremamente precisa della costante di Hubble entro cinque anni.

"Col passare del tempo, osserveremo sempre più di queste fusioni binarie di stelle di neutroni, e usali come sirene standard per migliorare costantemente la nostra stima della costante di Hubble. A seconda di dove cade il nostro valore, potremmo confermare un metodo o l'altro. Oppure potremmo trovare un valore completamente diverso, " ha detto Holz. "Non importa cosa troviamo, sarà interessante e sarà un passo importante per saperne di più sul nostro universo".