In un nuovo studio, due astrofisici dell'Università di Chicago hanno presentato un metodo su come utilizzare coppie di buchi neri in collisione (mostrati sopra come interpretazione di un artista) per misurare la velocità con cui si sta espandendo il nostro universo. Credito:Simulazione del progetto eXtreme Spacetimes (SXS)
Un buco nero è solitamente il luogo in cui le informazioni vanno a scomparire, ma gli scienziati potrebbero aver trovato un trucco per usare i suoi ultimi istanti per raccontarci la storia dell'universo.
In un nuovo studio pubblicato in Physical Review Letters , due astrofisici dell'Università di Chicago hanno sviluppato un metodo su come utilizzare coppie di buchi neri in collisione per misurare la velocità con cui si sta espandendo il nostro universo e quindi capire come si è evoluto l'universo, di cosa è fatto e dove sta andando.
In particolare, gli scienziati pensano che la nuova tecnica, che chiamano "sirena spettrale", potrebbe essere in grado di raccontarci gli anni "adolescenziali" altrimenti sfuggenti dell'universo.
Un sovrano cosmico
Un importante dibattito scientifico in corso riguarda esattamente la velocità con cui l'universo si sta espandendo, un numero chiamato costante di Hubble. I diversi metodi disponibili finora producono risposte leggermente diverse e gli scienziati sono ansiosi di trovare modi alternativi per misurare questo tasso. Controllare l'accuratezza di questo numero è particolarmente importante perché influisce sulla nostra comprensione di questioni fondamentali come l'età, la storia e la composizione dell'universo.
Il nuovo studio offre un modo per effettuare questo calcolo, utilizzando speciali rivelatori che raccolgono gli echi cosmici delle collisioni di buchi neri.
Di tanto in tanto, due buchi neri si scontrano l'uno contro l'altro, un evento così potente da creare letteralmente un'increspatura nello spazio-tempo che viaggia attraverso l'universo. Qui sulla Terra, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) statunitense e l'Osservatorio italiano Virgo possono captare quelle increspature, che sono chiamate onde gravitazionali.
Negli ultimi anni, LIGO e Virgo hanno raccolto le letture di quasi 100 coppie di buchi neri in collisione.
Il segnale di ogni collisione contiene informazioni sulla massa dei buchi neri. Ma il segnale ha viaggiato attraverso lo spazio e durante quel periodo l'universo si è espanso, il che cambia le proprietà del segnale. "Ad esempio, se prendessi un buco nero e lo mettessi prima nell'universo, il segnale cambierebbe e sembrerebbe un buco nero più grande di quanto non sia in realtà", ha spiegato l'astrofisico di UChicago Daniel Holz, uno dei due autori del carta.
Se gli scienziati riescono a trovare un modo per misurare come è cambiato quel segnale, possono calcolare il tasso di espansione dell'universo. Il problema è la calibrazione:come fanno a sapere quanto è cambiata rispetto all'originale?
Nel loro nuovo articolo, Holz e il primo autore Jose María Ezquiaga suggeriscono di poter utilizzare la nostra nuova conoscenza sull'intera popolazione di buchi neri come strumento di calibrazione. Ad esempio, le prove attuali suggeriscono che la maggior parte dei buchi neri rilevati ha tra le cinque e le 40 volte la massa del nostro sole. "Quindi misuriamo le masse dei buchi neri vicini e comprendiamo le loro caratteristiche, quindi guardiamo più lontano e vediamo quanto sembrano essersi spostati quelli più lontani", ha affermato Ezquiaga, Einstein Postdoctoral Fellow della NASA e Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow lavorando con Holz a UChicago. "E questo ti dà una misura dell'espansione dell'universo."
Gli autori lo soprannominano il metodo della "sirena spettrale", un nuovo approccio al metodo della "sirena standard" di cui Holz e collaboratori sono stati pionieri. (Il nome è un riferimento ai metodi della "candela standard" utilizzati anche in astronomia.)
Gli scienziati sono entusiasti perché in futuro, con l'espansione delle capacità di LIGO, il metodo potrebbe fornire una finestra unica sugli anni "adolescenziali" dell'universo, circa 10 miliardi di anni fa, che sono difficili da studiare con altri metodi.
I ricercatori possono utilizzare il fondo cosmico a microonde per osservare i primissimi momenti dell'universo e possono osservare le galassie vicine alla nostra stessa galassia per studiare la storia più recente dell'universo. Ma il periodo intermedio è più difficile da raggiungere ed è un'area di particolare interesse scientifico.
"È in quel periodo che siamo passati dalla materia oscura come forza predominante nell'universo all'energia oscura che prende il sopravvento, e siamo molto interessati a studiare questa transizione critica", ha affermato Ezquiaga.
L'altro vantaggio di questo metodo, affermano gli autori, è che ci sono meno incertezze create dalle lacune nelle nostre conoscenze scientifiche. "Utilizzando l'intera popolazione di buchi neri, il metodo può calibrarsi, identificando e correggendo direttamente gli errori", ha affermato Holz. Gli altri metodi utilizzati per calcolare la costante di Hubble si basano sulla nostra attuale comprensione della fisica delle stelle e delle galassie, che implica molta fisica e astrofisica complicate. Ciò significa che le misurazioni potrebbero essere leggermente sfasate se c'è qualcosa che non sappiamo ancora.
Al contrario, questo nuovo metodo del buco nero si basa quasi esclusivamente sulla teoria della gravità di Einstein, che è ben studiata e ha resistito a tutti i modi in cui gli scienziati hanno provato a testarlo finora.
Più letture hanno da tutti i buchi neri, più accurata sarà questa calibrazione. "Abbiamo bisogno preferibilmente di migliaia di questi segnali, che dovremmo avere in pochi anni, e anche di più nei prossimi dieci o due anni", ha affermato Holz. "A quel punto sarebbe un metodo incredibilmente potente per conoscere l'universo". + Esplora ulteriormente
