L'universo si sta espandendo, ma gli astrofisici non sono sicuri della velocità esatta con cui avviene quell'espansione, non perché non ci siano risposte, ma piuttosto perché le risposte che potrebbero dare non sono d'accordo.

Ora, Simon Birrer, un borsista post-dottorato presso la Stanford University e il Kavli Institute for Particle Physics and Astrophysics presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy, e un team internazionale di ricercatori hanno una nuova risposta che potrebbe, una volta perfezionato con più dati, aiuta a risolvere il dibattito.

Questa nuova risposta è il risultato della rivisitazione di un metodo vecchio di decenni chiamato cosmografia del ritardo con nuove ipotesi e dati aggiuntivi per derivare una nuova stima della costante di Hubble, una misura dell'espansione dell'Universo. Birrer e colleghi hanno pubblicato i loro risultati il ​​20 novembre sulla rivista Astronomia e Astrofisica .

"È la continuazione di un grande sforzo decennale di successo da parte di un grande team, con un reset in alcuni aspetti chiave della nostra analisi, "Birr ha detto, e un promemoria che "dovremmo sempre riconsiderare le nostre ipotesi. Il nostro lavoro recente è esattamente in questo spirito".

Distanza, velocità e suono

I cosmologi sanno da quasi un secolo che il cosmo si sta espandendo, e in quel tempo si sono stabiliti su due modi principali per misurare quell'espansione. Un metodo è la scala delle distanze cosmiche, una serie di passaggi che aiutano a stimare la distanza delle supernove lontane. Esaminando lo spettro della luce di queste supernovae, gli scienziati possono calcolare quanto velocemente si stanno allontanando da noi, quindi dividere per la distanza per stimare la costante di Hubble. (La costante di Hubble è solitamente misurata in chilometri al secondo per megaparsec, riflettendo il fatto che lo spazio stesso sta crescendo, in modo che gli oggetti più distanti si allontanano da noi più velocemente degli oggetti più vicini.)

Gli astrofisici possono anche stimare la costante dalle increspature nella radiazione cosmica di fondo a microonde, o CMB. Quelle increspature derivano da onde sonore che viaggiano attraverso il plasma nell'universo primordiale. Misurando le dimensioni delle increspature possono dedurre quanto tempo fa e quanto lontano è stata creata la luce CMB che vediamo oggi. Basandosi su una teoria cosmologica ben consolidata, i ricercatori possono quindi stimare la velocità con cui l'universo si sta espandendo.

Entrambi gli approcci, però, avere degli svantaggi. I metodi delle onde sonore si basano molto sul modo in cui il suono viaggiava nell'universo primordiale, che dipende a sua volta dal particolare mix di tipi di materia in quel momento, su quanto tempo hanno viaggiato le onde sonore prima di lasciare la loro impronta sulla CMB, e sulle ipotesi sull'espansione dell'universo da quel momento in poi. Nel frattempo, i metodi della scala della distanza cosmica concatenano una serie di stime, partendo dalle stime radar della distanza dal sole e dalle stime di parallasse della distanza dalle stelle pulsanti chiamate cefeidi. Che introduce una catena di calibrazioni e misurazioni, ognuno dei quali deve essere sufficientemente preciso e accurato da garantire una stima affidabile della costante di Hubble.

Una lente del passato

Ma c'è un modo per misurare le distanze in modo più diretto, basato su quelle che vengono chiamate lenti gravitazionali forti. La gravità piega lo spaziotempo stesso e con essa il percorso che la luce intraprende attraverso il cosmo. Un caso speciale è quando un oggetto molto massiccio, come una galassia, piega la luce di un oggetto lontano attorno in modo tale che la luce ci raggiunga lungo molteplici percorsi diversi, creando in modo efficace più immagini dello stesso oggetto di sfondo. Un esempio particolarmente bello è quando l'oggetto distante varia nel tempo, ad esempio, come buchi neri supermassicci in accrescimento, conosciuti come quasar, fare. Poiché la luce percorre quantità di tempo leggermente diverse lungo ciascun percorso attorno alla galassia lente, il risultato sono più immagini leggermente non sincronizzate con lo stesso sfarfallio.

Questo fenomeno è più che carino. Già negli anni '60, studenti della teoria della gravità di Einstein, relatività generale, hanno mostrato di poter utilizzare forti lenti gravitazionali e la luce che piegano per misurare più direttamente le distanze cosmiche, se fossero in grado di misurare con sufficiente precisione i tempi relativi lungo ciascun percorso e se sapessero come è distribuita la materia nella galassia lente.

Nell'ultima decade, Birrer ha detto, le misurazioni sono diventate sufficientemente precise per adottare questo metodo, cosmografia temporizzata, dall'idea alla realtà. Misure successive e uno sforzo dedicato da parte di H0LiCOW, COSMOGRAAL, PASSI, e squadre SHARP, ora sotto l'organizzazione ombrello congiunta TDCOSMO, culminato in una precisa misurazione costante di Hubble a circa 73 chilometri al secondo per megaparsec con una precisione del 2%. Questo è in accordo con le stime effettuate con il metodo della scala della distanza locale, ma in tensione con le misurazioni del fondo cosmico a microonde secondo le ipotesi del modello cosmologico standard.

Ipotesi sulla distribuzione di massa delle galassie

Ma qualcosa non andava con Birrer:i modelli della struttura delle galassie su cui si basavano gli studi precedenti potrebbero non essere stati abbastanza accurati da concludere che la costante di Hubble fosse diversa dalle stime basate sullo sfondo delle microonde cosmiche. "Sono andato dai miei colleghi e ho detto:'Voglio condurre uno studio che non si basi su tali presupposti, '", ha detto Birrer.

Al loro posto, Birrer ha proposto di studiare una gamma di lenti gravitazionali aggiuntive per fare una stima più basata sull'osservazione della massa e della struttura delle galassie lente per sostituire le ipotesi precedenti. Il nuovo viale Birrer e il team, TDCOSMO, l'impresa è stata deliberatamente tenuta alla cieca, il che significa che l'intera analisi è stata eseguita senza conoscere il risultato risultante sulla costante di Hubble, per evitare distorsioni dello sperimentatore, una procedura stabilita già nelle precedenti analisi del team e parte integrante per andare avanti, Birre ha detto.

Sulla base di questa nuova analisi con un numero significativamente inferiore di ipotesi applicate alle sette galassie lente con ritardi temporali che il team ha analizzato in studi precedenti, la squadra è arrivata a un valore più alto della costante di Hubble, circa 74 chilometri al secondo per megaparsec, ma con maggiore incertezza, abbastanza perché il loro valore fosse coerente con le stime sia alte che basse della costante di Hubble.

Però, quando Birrer e TDCOSMO hanno aggiunto 33 lenti aggiuntive con proprietà simili, ma senza una sorgente variabile per lavorare direttamente per la cosmografia a ritardo temporale, utilizzate per stimare la struttura galattica, la stima costante di Hubble è scesa a circa 67 chilometri al secondo per megaparsec, con un'incertezza del 5%, in buon accordo con le stime delle onde sonore come quella del CMB, ma anche statisticamente coerente con le determinazioni precedenti, viste le incertezze.

Questo cambiamento sostanziale non significa che il dibattito sul valore della costante di Hubble sia finito - tutt'altro, Birre ha detto. Per una cosa, il suo metodo introduce una nuova incertezza nella stima associata alle 33 lenti aggiuntive che vengono aggiunte all'analisi, e TDCOSMO avranno bisogno di più dati per confermare i loro risultati, anche se quei dati potrebbero non essere lontani nel futuro. Birrer:"Mentre la nostra nuova analisi non invalida statisticamente le ipotesi sul profilo di massa del nostro lavoro precedente, dimostra l'importanza di comprendere la distribuzione di massa all'interno delle galassie, " Egli ha detto.

"Stiamo raccogliendo ora i dati che ci consentiranno di recuperare la maggior parte della precisione che avevamo ottenuto in precedenza sulla base di ipotesi più solide. Guardando più avanti avremo anche immagini di molte più galassie con lenti dal Rubin Observatory Legacy Survey of Space e tempo a cui attingere per migliorare le nostre stime. La nostra analisi attuale è solo il primo passo e apre la strada all'utilizzo di questi set di dati imminenti per fornire una conclusione definitiva sul problema rimanente".