Un team di scienziati internazionali, guidato dal Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE) e dall'ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), ha proposto un metodo semplice e innovativo per ridurre l'accuratezza delle misurazioni della costante di Hubble al 2% utilizzando una singola osservazione di una coppia di stelle di neutroni che si fondono.

L'universo è in continua espansione. A causa di ciò, oggetti distanti come le galassie si stanno allontanando da noi. Infatti, più sono lontani, più velocemente si muovono. Gli scienziati descrivono questa espansione attraverso un famoso numero noto come costante di Hubble, che ci dice quanto velocemente gli oggetti nell'universo si allontanano da noi a seconda della loro distanza da noi. Misurando la costante di Hubble in modo preciso, possiamo anche determinare alcune delle proprietà più fondamentali dell'universo, compresa la sua età.

Per decenni, gli scienziati hanno misurato la costante di Hubble con crescente precisione, raccogliendo segnali elettromagnetici emessi in tutto l'universo ma arrivando a un risultato impegnativo:le due migliori misurazioni attuali danno risultati incoerenti. Dal 2015, gli scienziati hanno cercato di affrontare questa sfida con la scienza delle onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo che viaggiano alla velocità della luce. Le onde gravitazionali si generano negli eventi cosmici più violenti e forniscono un nuovo canale di informazioni sull'universo. Vengono emessi durante la collisione di due stelle di neutroni, i nuclei densi delle stelle collassate, e possono aiutare gli scienziati a scavare più a fondo nel mistero costante di Hubble.

A differenza dei buchi neri, la fusione di stelle di neutroni produce onde gravitazionali ed elettromagnetiche, come i raggi X, onde radio e luce visibile. Mentre le onde gravitazionali possono misurare la distanza tra la fusione di stelle di neutroni e la Terra, le onde elettromagnetiche possono misurare la velocità con cui l'intera galassia si sta allontanando dalla Terra. Questo crea un nuovo modo per misurare la costante di Hubble. Però, anche con l'aiuto delle onde gravitazionali, è ancora difficile misurare la distanza dalle fusioni di stelle di neutroni, cioè, in parte, perché le attuali misurazioni basate sull'onda gravitazionale della costante di Hubble hanno un'incertezza di ~ 16%, molto più grande delle misurazioni esistenti utilizzando altre tecniche tradizionali.

In un articolo recentemente pubblicato su Lettere per riviste astrofisiche , un team di scienziati guidato dal Centro di eccellenza ARC per la scoperta delle onde gravitazionali (OzGrav) e dall'allievo della Monash University Prof Juan Calderón Bustillo (ora La Caixa Junior Leader e Marie Curie Fellow presso l'istituto galiziano di fisica delle alte energie dell'Università di Santiago de Compostela , Spagna), ha proposto un metodo semplice e innovativo per ridurre l'accuratezza di queste misurazioni al 2% utilizzando una singola osservazione di una coppia di stelle di neutroni che si fondono.

Secondo il prof Calderón Bustillo, è difficile interpretare quanto siano lontane queste fusioni perché "attualmente, non possiamo dire se il binario è molto lontano e rivolto verso la Terra, o se è molto più vicino, con la Terra nel suo piano orbitale." Per decidere tra questi due scenari, il team ha proposto di studiare secondaria, componenti molto più deboli dei segnali di onde gravitazionali emessi dalle fusioni di stelle di neutroni, noti come modi superiori.

"Proprio come un'orchestra suona strumenti diversi, le fusioni di stelle di neutroni emettono onde gravitazionali attraverso diversi modi, " spiega il prof Calderón Bustillo. "Quando le stelle di neutroni che si fondono sono di fronte a te, sentirai solo lo strumento più forte. Però, se sei vicino al piano orbitale della fusione, dovresti sentire anche quelli secondari. Questo ci permette di determinare l'inclinazione della fusione stella di neutroni, e misurare meglio la distanza."

Però, il metodo non è completamente nuovo:"Sappiamo che funziona bene nel caso di fusioni di buchi neri molto massicci perché i nostri attuali rivelatori possono registrare l'istante di fusione quando i modi superiori sono più importanti. Ma nel caso delle stelle di neutroni, il tono del segnale di fusione è così alto che i nostri rilevatori non possono registrarlo. Possiamo solo registrare le orbite precedenti, " dice il professor Calderón Bustillo.

Futuri rivelatori di onde gravitazionali, come il progetto australiano proposto NEMO, potranno accedere all'attuale fase di fusione delle stelle di neutroni. "Quando due stelle di neutroni si fondono, la fisica nucleare che governa la loro materia può causare segnali molto ricchi che, se rilevato, potrebbe permetterci di sapere esattamente dove si trova la Terra rispetto al piano orbitale della fusione, " dice il co-autore e capo investigatore di OzGrav, il dott. Paul Lasky, dalla Monash University. Il Dr. Lasky è anche uno dei leader del progetto NEMO. "Un rivelatore come NEMO potrebbe rilevare questi ricchi segnali, " Aggiunge.

Nel loro studio, il team ha eseguito simulazioni al computer di fusioni di stelle di neutroni che possono rivelare l'effetto della fisica nucleare delle stelle sulle onde gravitazionali. Studiando queste simulazioni, il team ha determinato che un rivelatore come NEMO potrebbe misurare la costante di Hubble con una precisione del 2%.

Co-autore dello studio Prof Tim Dietrich, dell'Università di Potsdam, dice:"Abbiamo scoperto che i dettagli fini che descrivono il modo in cui i neutroni si comportano all'interno della stella producono sottili firme nelle onde gravitazionali che possono aiutare notevolmente a determinare il tasso di espansione dell'universo. È affascinante vedere come gli effetti su scala nucleare più piccola possono dedurre cosa succede al più grande cosmologico possibile."

Sansone Leong, studente universitario presso l'Università cinese di Hong Kong e coautore dello studio sottolinea "una delle cose più eccitanti del nostro risultato è che abbiamo ottenuto un così grande miglioramento considerando uno scenario piuttosto conservativo. Mentre NEMO sarà davvero sensibile a l'emissione di fusioni di stelle di neutroni, rivelatori più evoluti come Einstein Telescope o Cosmic Explorer saranno ancora più sensibili, permettendoci quindi di misurare l'espansione dell'universo con una precisione ancora migliore!"

Una delle implicazioni più importanti di questo studio è che potrebbe determinare se l'universo si sta espandendo uniformemente nello spazio come attualmente ipotizzato. "I metodi precedenti per raggiungere questo livello di accuratezza si basano sulla combinazione di molte osservazioni, supponendo che la costante di Hubble sia la stessa in tutte le direzioni e in tutta la storia dell'universo, " dice Calderón Bustillo. "Nel nostro caso, ogni singolo evento produrrebbe una stima molto accurata della "propria costante di Hubble, "Ci consente di verificare se questa è effettivamente una costante o se varia nello spazio e nel tempo".