Lo studio delle violente collisioni di buchi neri e stelle di neutroni potrebbe presto fornire una nuova misurazione del tasso di espansione dell'Universo, aiutando a risolvere una controversia di vecchia data, suggerisce un nuovo studio di simulazione condotto da ricercatori dell'UCL (University College London).

I nostri due attuali modi migliori per stimare il tasso di espansione dell'Universo:misurare la luminosità e la velocità delle stelle pulsanti ed esplosive, e guardando le fluttuazioni della radiazione dall'Universo primordiale, dare risposte molto diverse, suggerendo che la nostra teoria dell'Universo potrebbe essere sbagliata.

Un terzo tipo di misurazione, guardando le esplosioni di luce e le increspature nel tessuto dello spazio causate dalle collisioni buco nero-stella di neutroni, dovrebbe aiutare a risolvere questo disaccordo e chiarire se la nostra teoria dell'Universo ha bisogno di essere riscritta.

Il nuovo studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica , simulato 25, 000 scenari di collisione di buchi neri e stelle di neutroni, con l'obiettivo di vedere quanti sarebbero stati probabilmente rilevati dagli strumenti sulla Terra tra la metà e la fine del 2020.

I ricercatori hanno scoperto che, entro il 2030, strumenti sulla Terra potrebbero percepire increspature nello spazio-tempo causate da un massimo di 3, 000 tali collisioni, e che per circa 100 di questi eventi, i telescopi vedrebbero anche esplosioni di luce associate.

Hanno concluso che questi sarebbero stati dati sufficienti per fornire un nuovo, misurazione completamente indipendente del tasso di espansione dell'Universo, abbastanza preciso e affidabile da confermare o negare la necessità di una nuova fisica.

L'autore principale, il dott. Stephen Feeney (UCL Physics &Astronomy) ha dichiarato:"Una stella di neutroni è una stella morta, creato quando una stella molto grande esplode e poi collassa, ed è incredibilmente denso, in genere di 10 miglia di diametro, ma con una massa fino a due volte quella del nostro Sole. La sua collisione con un buco nero è un evento catastrofico, provocando increspature dello spazio-tempo, note come onde gravitazionali, che ora possiamo rilevare sulla Terra con osservatori come LIGO e Virgo.

"Non abbiamo ancora rilevato la luce di queste collisioni. Ma i progressi nella sensibilità delle apparecchiature che rilevano le onde gravitazionali, insieme a nuovi rilevatori in India e Giappone, porterà a un enorme balzo in avanti in termini di quanti di questi tipi di eventi possiamo rilevare. È incredibilmente eccitante e dovrebbe aprire una nuova era per l'astrofisica".

Per calcolare il tasso di espansione dell'Universo, nota come costante di Hubble, gli astrofisici devono conoscere la distanza degli oggetti astronomici dalla Terra e la velocità con cui si stanno allontanando. L'analisi delle onde gravitazionali ci dice quanto è lontana una collisione, lasciando solo la velocità da determinare.

Per dire quanto velocemente si sta allontanando la galassia che ospita una collisione, osserviamo lo "spostamento verso il rosso" della luce, cioè come la lunghezza d'onda della luce prodotta da una sorgente è stata allungata dal suo movimento. Le esplosioni di luce che possono accompagnare queste collisioni ci aiuterebbero a individuare la galassia in cui è avvenuta la collisione, consentendo ai ricercatori di combinare misurazioni della distanza e misurazioni del redshift in quella galassia.

Il Dr. Feeney ha dichiarato:"I modelli informatici di questi eventi catastrofici sono incompleti e questo studio dovrebbe fornire una motivazione in più per migliorarli. Se le nostre ipotesi sono corrette, molte di queste collisioni non produrranno esplosioni che possiamo rilevare:il buco nero inghiottirà la stella senza lasciare traccia. Ma in alcuni casi un buco nero più piccolo può prima fare a pezzi una stella di neutroni prima di inghiottirla, potenzialmente lasciando materia al di fuori del foro che emette radiazioni elettromagnetiche."

Il co-autore Professor Hiranya Peiris (UCL Physics &Astronomy e Stockholm University) ha dichiarato:"Il disaccordo sulla costante di Hubble è uno dei più grandi misteri della cosmologia. Oltre ad aiutarci a svelare questo enigma, le increspature dello spaziotempo di questi eventi catastrofici aprono una nuova finestra sull'universo. Possiamo anticipare molte scoperte entusiasmanti nel prossimo decennio".

Le onde gravitazionali vengono rilevate in due osservatori negli Stati Uniti (i LIGO Labs), uno in Italia (Vergine), e uno in Giappone (KAGRA). Un quinto osservatorio, LIGO-India, è ora in costruzione.

Le nostre due migliori stime attuali dell'espansione dell'Universo sono 67 chilometri al secondo per megaparsec (3,26 milioni di anni luce) e 74 chilometri al secondo per megaparsec. Il primo deriva dall'analisi del fondo cosmico a microonde, le radiazioni lasciate dal Big Bang, mentre il secondo deriva dal confronto di stelle a diverse distanze dalla Terra, in particolare Cefeidi, che hanno luminosità variabile, e stelle esplosive chiamate supernovae di tipo Ia.

Il Dr. Feeney ha spiegato:"Poiché la misurazione del fondo a microonde necessita di una teoria completa dell'Universo, ma il metodo stellare no, il disaccordo offre prove allettanti di nuova fisica oltre la nostra attuale comprensione. Prima di poter fare tali affermazioni, però, abbiamo bisogno della conferma del disaccordo da osservazioni completamente indipendenti:crediamo che queste possano essere fornite attraverso collisioni buco nero-stella di neutroni".

Lo studio è stato condotto da ricercatori dell'UCL, Imperial College di Londra, Università di Stoccolma e Università di Amsterdam. È stato sostenuto dalla Royal Society, il Consiglio svedese della ricerca (VR), la Fondazione Knut e Alice Wallenberg, e l'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO).