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Introduzione

Sulla nota rivista scientifica The Astrophysical Journal, è stata pubblicata, mercoledì 8 novembre, una importante ricerca condotta dagli scienziati della Clemson University: Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli e Dieter Hartmann unitamente ad altri sei scienziati di diverse parti del mondo. L’obiettivo, a quanto pare raggiunto, era quello di ideare una nuova misurazione della costante di Hubble attraverso un nuovo approccio.

La costante di Hubble

Erdwin Hubble, ricopre a giusta ragione un posto centrale nella astronomia mondiale di tutti i tempi, grazie ai molteplici contributi forniti. Tra questi vi è sicuramente quello relativo alla c.d. costante di Hubble, formula matematica con cui si misura il tasso di espansione dell’universo.

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Henrietta-Swan-Leavitt

Hubble riuscì a ricavare la costante di espansione dell’universo grazie agli studi condotti qualche anno prima da Henrietta Swan Leavitt sulle variabili Cefeidi, supergiganti gialle con raggi decine di volte superiori al raggio solare e luminosità fino a 100.000 volte maggiori, pulsano per la maggior parte in modo molto regolare, con un ciclo di espansione e contrazione che può durare da qualche giorno ad alcuni mesi.

Ebbene, la Leavitt aveva scoperto che esisteva una relazione fissa tra la luminosità intrinseca delle Cefeidi e il loro periodo di “pulsazione”; confrontando la loro luminosità intrinseca con la loro luminosità apparente vista dalla Terra, poteva essere calcolata la loro distanza da quest’ultima. Hubble, usando la relazione scoperta dalla Leavitt, riuscì a stabilire la distanza di M31 (Galassia di Andromeda) in 285.000 parsec, cioè 930.000 anni luce. Si trattava di una stima che oggi sappiamo essere sbagliata per difetto.

In questo modo Hubble dimostrò anche che l’universo non coincideva con la Via Lattea, come si pensava sino a quel momento. Secondo le stime del tempo la nostra galassia aveva una dimensione stimata dai 300.000 anni luce, secondo i calcoli di Harlow Shapley, ai 30.000 anni luce, dieci volte in meno secondo i calcoli di Heber Curtis. In ogni caso dal momento che M31 si trovava a circa 930.000 anni luce di distanza, doveva essere necessariamente un oggetto al di fuori della nostra galassia.

Questo passaggio fu fondamentale per quello successivo.

Con lo stesso metodo che aveva adoperato per definire la distanza di M31, Hubble calcolò la distanza di una serie di nebulose extra-galattiche ricorrendo anche ad una serie di dati già ottenunti in precedenza come la velocità radiale di queste, ricavata da precedenti misurazioni dell’effetto Doppler sulle loro righe spettrali. Ciò che notò, dall’incrocio dei vari dati, era una distanza crescente delle nebulose extragalattiche rispetto alla Terra, in pratica si stavano allontanando.

Hubble ideò, quindi, una formula (v = HD) con la quale dimostrò che l’universo si espandava e il tasso di espansione, inzialmente stimanto, era di 558 km/s per megaparsec (un megaparsec equivalente a circa 3,26 milioni di anni luce). Concluse che una galassia a due megaparsec di distanza dalla nostra galassia si stava allontanando due volte più velocemente di una galassia a un solo megaparsec di distanza. Questa stima divenne nota come Costante di Hubble, che dimostrò per la prima volta che l’universo si stava espandendo. 

Con questa scoperta, che diede vita alla comsologia moderna, Hubble ricorrentdo, essenzialmente a due elementi quali la distanza della sorgente e il suo redshift (lo spostamento verso il rosso), dimostrò che l’universo si espandeva in modo uniforme in tutte le direzioni e che le galassie si allontanavano dalla Terra in modo proporzionale alla loro distanza, cioè più distanti sono più velocemente si allontanano.

Negli ultimi anni questo tasso di espansione è stato ricalibrato, con risultati contrastanti: il premio Nobel Adam Riess, in un nuovo studio pubblicato su The Astrophysical Journal ( DOI) è giunto a stimare che la costante di Hubble è pari a 74.03 km/s/Mpc. Con un errore massimo – ed è questo il risultato di maggior rilievo – inferiore al due per cento: per l’esattezza, l’1.91 per cento, vale a dire, più o meno 1.42 km/s/Mpc.

Una precisazione

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Portrait Georges Lemaitre

Quella che è nota come costante o Legge di Hubble in realtà si chiama Legge di Hubble-Lemaitre. Fu, infatti, il prete e astronomo belga Georges Lemaître a pubblicare con due anni di anticipo, ricerche relative a quella che è stata conosciuta da sempre come Legge di Hubble. Tuttavia la ricerca del prete belga venne pubblicata su una rivista di “poco impatto“, per così dire e quindi non ebbe la giusta considerazione che meritava. Va sottolineato che Hubble giunse alla elaborazione della sua formula in modo del tutto indipendente. Il cambio di nome, votato dalla comunità scientifica, è stato riportato anche da un articolo dell’Inaf: Hubble-Lemaître, gli astronomi hanno detto sì.

Il nuovo metodo di misurazione

Con l’aiuto di strumenti ultra-sofisticati, come il satellite Planck, il team di ricerca della Clemson University: Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli e Dieter Hartmann unitamente ad altri sei scienziati di diverse parti del mondo, sono riusciti ad ottenere una stima ancora più precisa del tasso di espansione dell’universo, usando l’attenuazione dei lampi di raggi gamma extragalattica.

I raggi gamma sono la forma più energetica di luce. La luce extragalattica di fondo (EBL) è una nebbia cosmica composta da tutta la luce ultravioletta, visibile e infrarossa emessa dalle stelle o dalla polvere nelle vicinanze. Quando i raggi gamma e l’EBL interagiscono, lasciano un’impronta osservabile – una graduale perdita di flusso – che gli scienziati sono stati in grado di analizzare e formulare la loro ipotesi.

Il team ha confrontato gli ultimi dati di attenuazione dei raggi gamma ottenunti dal Fermi Gamma-ray Space Telescope e MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescope) per elaborare le loro stime. Questa nuova strategia ha portato a una misurazione di circa 67,5 chilometri al secondo per megaparsec.

Le dichiarazioni

È straordinario che stiamo usando i raggi gamma per studiare la cosmologia. La nostra tecnica ci consente di utilizzare una strategia indipendente – una nuova metodologia indipendente da quelle esistenti – per misurare le proprietà fondamentali dell’universo”, ha detto uno degli autori principali della ricerca Alberto Dominguez, dell’Università Complutense di Madrid.  “I nostri risultati mostrano la maturità raggiunta nell’ultimo decennio dal campo relativamente recente dell’astrofisica ad alta energia. L’analisi che abbiamo sviluppato apre la strada a misurazioni migliori in futuro”.

Molte delle tecniche utilizzate nel presente studio sono correlate al precedente lavoro condotto da Ajello e dalla sua equipe. In un precedente progetto, apparso sulla rivista Science, Ajello e il suo team erano in grado di misurare tutta la luce delle stelle mai emessa nella storia dell’universo.

Quello che sappiamo è che i fotoni dei raggi gamma provenienti da fonti extragalattiche viaggiano nell’universo verso la Terra, dove possono essere assorbiti lungo il loro percorso “, ha detto Ajello. “Il tasso di interazione e assoribmento dipende dalla lunghezza del percorso realizzato nell’universo e la lunghezza dipende dall’espansione. Se l’espansione è bassa, percorrono una piccola distanza. Se l’espansione è grande, percorrono una distanza molto grande. Quindi la quantità di assorbimento che abbiamo misurato dipende fortemente dal valore della costante di Hubble. Ciò che abbiamo fatto è stato capovolgerlo e usarlo per limitare il tasso di espansione dell’universo“.

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Gli scienziati di Clemson Marco Ajello, Abhishek Desai, Lea Marcotulli e Dieter Hartmann hanno collaborato con altri sei scienziati in tutto il mondo per ideare una nuova misurazione della costante di Hubble. Credito: Jim Melvin / College of Science

“La comunità astronomica sta investendo una grande quantità di denaro e risorse per rendere la cosmologia sempre più precisa e questo riugarda anche la costante di Hubble“, ha dichiarato Dieter Hartmann, professore di fisica e astronomia. “La nostra comprensione di queste costanti fondamentali ha definito l’universo come lo conosciamo ora. Quando la nostra comprensione delle leggi diventa più precisa, anche la nostra definizione dell’universo diventa più precisa, il che porta a nuove intuizioni e scoperte“.

Un’analogia comune dell’espansione dell’universo è un palloncino punteggiato di macchie, con ogni macchia che rappresenta una galassia. Quando il palloncino viene gonfiato fino a farlo esplodere, le macchie si allargano sempre di più ed anche le distanze tra esse aumentano.

Alcuni teorizzano che il palloncino si espanderà in un determinato momento e poi ricadrà“, ha dichiarato Desai, assistente di ricerca laureato nel dipartimento di fisica e astronomia. “Ma la convinzione più comune è che l’universo continuerà ad espandersi fino a quando tutto sarà così lontano da non esserci più luce osservabile. A questo punto, l’universo subirà una morte fredda. Ma questo non è nulla di cui preoccuparsi. Tutto questo avverrà tra trilioni di anni.”

Ma se l’analogia del palloncino è accurata, che cosa fa esplodere esattamente il palloncino? “La materia – le stelle, i pianeti, persino noi – è solo una piccola parte della composizione complessiva dell’universo“, ha spiegato Ajello. “La grande maggioranza dell’universo è formata da energia oscura e materia oscura. E crediamo che sia l’energia oscura che sta facendo gonfiare il palloncino . L’energia oscura sta allontanando gli oggetti spaziali l’uno dall’altro. La gravità, che attira gli oggetti l’uno verso l’altro, è la forza più forte a livello locale, motivo per cui alcune galassie continuano a scontrarsi. Ma a distanze cosmiche, l’energia oscura è la forza dominante“.