Gli astronomi che utilizzano il telescopio spaziale Hubble della NASA affermano di aver superato una soglia importante nel rivelare una discrepanza tra le due tecniche chiave per misurare il tasso di espansione dell'universo. Il recente studio rafforza la tesi secondo cui potrebbero essere necessarie nuove teorie per spiegare le forze che hanno modellato il cosmo.

Un breve riassunto:l'universo sta diventando più grande ogni secondo. Lo spazio tra le galassie si sta allungando, come la pasta che lievita nel forno. Ma quanto velocemente si sta espandendo l'universo? Poiché Hubble e altri telescopi cercano di rispondere a questa domanda, si sono imbattuti in un'intrigante differenza tra ciò che gli scienziati prevedono e ciò che osservano.

Le misurazioni di Hubble suggeriscono un tasso di espansione nell'universo moderno più veloce del previsto, basato su come l'universo è apparso più di 13 miliardi di anni fa. Queste misurazioni dell'universo primordiale provengono dal satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea. Questa discrepanza è stata identificata in articoli scientifici negli ultimi anni, ma non è chiaro se la colpa sia delle differenze nelle tecniche di misurazione, o se la differenza potrebbe derivare da misurazioni sfortunate.

Gli ultimi dati Hubble riducono la possibilità che la discrepanza sia solo un caso a 1 su 100, 000. Questo è un guadagno significativo da una stima precedente, meno di un anno fa, di una possibilità di 1 su 3, 000.

Queste misurazioni Hubble più precise fino ad oggi rafforzano l'idea che potrebbe essere necessaria una nuova fisica per spiegare la mancata corrispondenza.

"La tensione di Hubble tra l'universo primo e secondo potrebbe essere lo sviluppo più eccitante in cosmologia degli ultimi decenni, " ha affermato il ricercatore capo e premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University, a Baltimora, Maryland. "Questa discrepanza è cresciuta e ora ha raggiunto un punto che è davvero impossibile liquidare come un caso. Questa disparità non potrebbe plausibilmente verificarsi solo per caso".

Stringere i bulloni sulla "scala della distanza cosmica"

Gli scienziati usano una "scala delle distanze cosmiche" per determinare quanto sono lontane le cose nell'universo. Questo metodo dipende dall'effettuare misurazioni accurate delle distanze delle galassie vicine e quindi dal passaggio a galassie sempre più lontane, usando le loro stelle come indicatori di traguardo. Gli astronomi usano questi valori, insieme ad altre misurazioni della luce delle galassie che arrossisce mentre attraversa un universo in espansione, per calcolare la velocità con cui il cosmo si espande nel tempo, un valore noto come costante di Hubble. Riess e il suo team SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State) hanno cercato dal 2005 di perfezionare le misurazioni della distanza con Hubble e la costante di Hubble.

In questo nuovo studio, gli astronomi hanno usato Hubble per osservare 70 stelle pulsanti chiamate variabili Cefeidi nella Grande Nube di Magellano. Le osservazioni hanno aiutato gli astronomi a "ricostruire" la scala delle distanze migliorando il confronto tra quelle Cefeidi e le loro cugine più lontane negli ospiti galattici delle supernove. Il team di Riess ha ridotto l'incertezza nel loro valore costante di Hubble all'1,9% da una stima precedente del 2,2%.

Poiché le misurazioni della squadra sono diventate più precise, il loro calcolo della costante di Hubble è rimasto in contrasto con il valore atteso derivato dalle osservazioni dell'espansione dell'universo primordiale. Queste misurazioni sono state fatte da Planck, che mappa il fondo cosmico a microonde, un bagliore residuo del 380, 000 anni dopo il big bang.

Le misurazioni sono state accuratamente controllate, quindi gli astronomi non possono attualmente ignorare il divario tra i due risultati come dovuto a un errore in una singola misurazione o metodo. Entrambi i valori sono stati testati in più modi.

"Non si tratta solo di due esperimenti in disaccordo, " Ha spiegato Riess. "Stiamo misurando qualcosa di fondamentalmente diverso. Uno è una misura di quanto velocemente l'universo si sta espandendo oggi, come lo vediamo. L'altra è una previsione basata sulla fisica dell'universo primordiale e sulle misurazioni della velocità con cui dovrebbe espandersi. Se questi valori non sono d'accordo, diventa molto probabile che ci manchi qualcosa nel modello cosmologico che collega le due ere".

Come è stato fatto il nuovo studio

Gli astronomi hanno utilizzato le variabili Cefeidi come parametri cosmici per misurare le distanze intergalattiche vicine per più di un secolo. Ma cercare di raccogliere un mucchio di queste stelle è stato così dispendioso in termini di tempo da essere quasi irraggiungibile. Così, il team ha impiegato un nuovo metodo intelligente, chiamato DASH (Drift And Shift), utilizzando Hubble come fotocamera "inquadra e scatta" per scattare immagini rapide delle stelle pulsanti estremamente luminose, che elimina la lunga esigenza di un puntamento preciso.

"Quando Hubble usa un puntamento preciso agganciandosi alle stelle guida, può osservare solo una Cefeide per ogni orbita di Hubble di 90 minuti intorno alla Terra. Così, sarebbe molto costoso per il telescopio osservare ogni Cefeide, " ha spiegato il membro del team Stefano Casertano, anche di STScI e Johns Hopkins. "Anziché, abbiamo cercato gruppi di Cefeidi abbastanza vicini l'uno all'altro da poterci spostare tra loro senza ricalibrare il puntamento del telescopio. Queste Cefeidi sono così luminose, dobbiamo solo osservarli per due secondi. Questa tecnica ci permette di osservare una dozzina di Cefeidi per la durata di un'orbita. Così, rimaniamo sul controllo del giroscopio e continuiamo a 'DASHing' in giro molto velocemente."

Gli astronomi di Hubble hanno poi combinato il loro risultato con un'altra serie di osservazioni, realizzato dal Progetto Araucaria, una collaborazione tra astronomi di istituzioni cilene, gli Stati Uniti., ed Europa. Questo gruppo ha effettuato misurazioni della distanza dalla Grande Nube di Magellano osservando l'attenuazione della luce quando una stella passa davanti al suo partner nell'eclissare i sistemi di stelle binarie.

Le misurazioni combinate hanno aiutato il team SH0ES a perfezionare la vera luminosità delle Cefeidi. Con questo risultato più accurato, la squadra potrebbe quindi "serrare i bulloni" del resto della scala delle distanze che si estende più in profondità nello spazio.

La nuova stima della costante di Hubble è di 74 chilometri (46 miglia) al secondo per megaparsec. Ciò significa che per ogni 3,3 milioni di anni luce di distanza da noi c'è una galassia, sembra muoversi 74 chilometri (46 miglia) al secondo più velocemente, come conseguenza dell'espansione dell'universo. Il numero indica che l'universo si sta espandendo a una velocità del 9% più veloce rispetto alla previsione di 67 chilometri (41,6 miglia) al secondo per megaparsec, che deriva dalle osservazioni di Planck dell'universo primordiale, insieme alla nostra attuale comprensione dell'universo.

Così, cosa potrebbe spiegare questa discrepanza?

Una spiegazione per la discrepanza implica un'apparizione inaspettata di energia oscura nel giovane universo, che si pensa ora comprenda il 70% del contenuto dell'universo. Proposto dagli astronomi della Johns Hopkins, la teoria è soprannominata "energia oscura primitiva, " e suggerisce che l'universo si è evoluto come un gioco in tre atti.

Gli astronomi hanno già ipotizzato che l'energia oscura esistesse durante i primi secondi dopo il big bang e spingesse la materia attraverso lo spazio, iniziare l'espansione iniziale. L'energia oscura potrebbe anche essere la ragione dell'espansione accelerata dell'universo oggi. La nuova teoria suggerisce che ci sia stato un terzo episodio di energia oscura non molto tempo dopo il big bang, che espanse l'universo più velocemente di quanto previsto dagli astronomi. L'esistenza di questa "energia oscura precoce" potrebbe spiegare la tensione tra i due valori costanti di Hubble, Ries ha detto.

Un'altra idea è che l'universo contenga una nuova particella subatomica che viaggia vicino alla velocità della luce. Tali particelle veloci sono chiamate collettivamente "radiazioni oscure" e includono particelle precedentemente note come i neutrini, che si creano nelle reazioni nucleari e nei decadimenti radioattivi.

Un'altra possibilità interessante è che la materia oscura (una forma invisibile di materia non composta da protoni, neutroni, ed elettroni) interagisce più fortemente con la materia normale o la radiazione di quanto si pensasse in precedenza.

Ma la vera spiegazione è ancora un mistero.

Riess non ha una risposta a questo fastidioso problema, ma il suo team continuerà a utilizzare Hubble per ridurre le incertezze nella costante Hubble. Il loro obiettivo è ridurre l'incertezza all'1%, che dovrebbe aiutare gli astronomi a identificare la causa della discrepanza.

I risultati del team sono stati accettati per la pubblicazione in The Giornale Astrofisico .