CREDITS: NASA, ESA

Introduzione

Un team di astronomi, che utilizza il telescopio spaziale Hubble della NASA, ha misurato il tasso di espansione dell’universo usando una tecnica completamente indipendente da qualsiasi metodo precedente. Il team presenterà i suoi risultati al 235° incontro dell’American Astronomical Society a Honolulu, nelle Hawaii.

Conoscere il tasso di espansione dell’universo

Conoscere il valore preciso di quanto velocemente si espande l’universo è importante per determinare l’età, le dimensioni e il destino del cosmo. Svelare questo mistero è stata, negli ultimi anni, una delle maggiori sfide dell’astrofisica. Il nuovo studio aggiunge prove all’idea che potrebbero essere necessarie nuove teorie per spiegare ciò che gli scienziati stanno scoprendo.

Il risultato dei ricercatori rafforza ulteriormente una preoccupante discrepanza tra il tasso di espansione, chiamato costante di Hubble, calcolata dalle misurazioni dell’universo locale e il tasso come previsto dalle radiazioni di fondo nell’universo primordiale, un tempo prima che le galassie e le stelle esistessero.

Quest’ultimo valore rappresenta la misura più precisa che sia mai stata fatta usando il metodo della lente gravitazionale, dove la gravità di una galassia in primo piano si comporta come una lente di ingrandimento gigante, amplificando e distorcendo la luce dagli oggetti di sfondo. Quest’ultimo studio non si basava sulla tradizionale tecnica della “cosmic distance ladder” per misurare le distanze precise delle galassie usando vari tipi di stelle come “milepost markers”. Invece, i ricercatori hanno impiegato la fisica esotica della lente gravitazionale per calcolare il tasso di espansione dell’universo.

Il team H0LiCOW

Il team di astronomia che ha effettuato le nuove misurazioni delle costanti di Hubble è soprannominato H0LiCOW. Questo nome deriva dalla esclamazione “Holy Cow” che le persone usano per esprimere. Giocando con essa, i ricercatori hanno sviluppato un acronimo – H0LiCOW – per il nome del loro progetto che esprime l’eccitazione per le misurazioni del telescopio spaziale Hubble sullla velocità di espansione dell’universo.

Il team di ricerca ha derivato il valore H0LiCOW per la costante di Hubble attraverso tecniche di osservazione e analisi che sono state notevolmente perfezionate negli ultimi due decenni. H0LiCOW e altre recenti misurazioni suggeriscono un tasso di espansione più rapido nell’universo locale di quanto ci si aspettasse sulla base delle osservazioni su come il cosmo si fosse comportato più di 13 miliardi di anni fa. Osservazioni realizzate con il satellite Planck, dell’Agenzia spaziale europea, .

Il divario tra i due valori ha importanti implicazioni per la comprensione dei parametri fisici sottostanti dell’universo e può richiedere una nuova fisica per tenere conto della mancata corrispondenza.

Se questi risultati non sono concordi, potrebbero costituire un suggerimento sulla circostanza che non comprendiamo ancora come la materia e l’energia si siano evolute nel tempo, in particolare nei primi tempi“, ha dichiarato il leader del team H0LiCOW Sherry Suyu dell’Istituto Max Planck per l’astrofisica in Germania, l’Università tecnica di Monaco e l’Istituto di astronomia e astrofisica dell’Accademia Sinica a Taipei, Taiwan.

Come hanno fatto

Il team di H0LiCOW ha usato Hubble per osservare la luce proveniente da sei quasar lontani. I quasar sono oggetti di sfondo ideali per molte ragioni; per esempio, sono luminosi, estremamente distanti e sparsi in tutto il cielo. Il telescopio ha osservato come la luce di ogni quasar sia stata moltiplicata in quattro immagini a causa della gravità di una galassia massiccia che era in primo piano. 

CREDITS: NASAESA

Le galassie studiate distano da 3 a 6,5 ​​miliardi di anni luce. La distanza media dei quasar è di 5,5 miliardi di anni luce dalla Terra. I raggi di luce di ciascuna immagine quasar, osservate con la lente gravitazionale, prendono un percorso leggermente diverso attraverso lo spazio per raggiungere la Terra. La lunghezza del percorso dipende dalla quantità di materia che sta distorcendo lo spazio lungo la lineavisiva fino al quasar. Per tracciare ogni percorso, gli astronomi monitorano lo sfarfallio della luce del quasar mentre il suo buco nero divora il materiale. Quando la luce lampeggia, ogni immagine dell’obiettivo si illumina in un momento diverso.

Questa sequenza tremolante consente ai ricercatori di misurare i ritardi temporali tra ciascuna immagine mentre la luce riflessa viaggia lungo il suo percorso verso la Terra. Per comprendere appieno questi ritardi, il team ha utilizzato Hubble per creare mappe accurate della distribuzione della materia in ciascuna galassia. Gli astronomi potrebbero quindi dedurre in modo affidabile le distanze dalla galassia al quasar e poi dalla Terra alla galassia e al quasar di sfondo. Confrontando questi valori, i ricercatori hanno misurato il tasso di espansione dell’universo.

La lunghezza di ogni ritardo indica la velocità con cui l’universo si sta espandendo“, ha dichiarato il membro del team Kenneth Wong del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe dell’Università di Tokyo, autore principale dell’articolo più recente della collaborazione di H0LiCOW. “Se i ritardi sono più brevi, l’universo si sta espandendo a una velocità maggiore. Se sono più lunghi, la velocità di espansione è più lenta“.

Il processo di ritardo è analogo a quattro treni che lasciano la stessa stazione esattamente nello stesso momento e viaggiano alla stessa velocità per raggiungere la stessa destinazione. Tuttavia, ciascuno dei treni arriva a destinazione in un momento diverso. Questo perché ogni treno segue un percorso diverso e la distanza per ciascun percorso non è la stessa. Alcuni treni viaggiano sulle colline. Altri attraversano le valli e altri ancora si aggirano intorno alle montagne. 

Dai vari tempi di arrivo, si può dedurre che ogni treno ha percorso una distanza diversa per raggiungere la stessa fermata. Allo stesso modo, il modello di sfarfallio del quasar non appare allo stesso tempo perché parte della luce viene ritardata viaggiando intorno a curve create dalla gravità della materia densa nella galassia interveniente.

Come si confronta

I ricercatori hanno calcolato un valore costante di Hubble di 73 chilometri al secondo per megaparsec (con incertezza del 2,4%). Ciò significa che per ogni ulteriore 3,3 milioni di anni luce di distanza, una galassia sembra muoversi di 73 chilometri al secondo più velocemente, a causa dell’espansione dell’universo.

La misurazione del team è vicina al valore di 74 calcolato dal team Equation of State (SH0ES), che ha utilizzato la tecnica della scala della distanza cosmica. La misurazione SH0ES si basa sulla misurazione delle distanze dalle galassie vicine e lontane dalla Terra utilizzando le variabili Cefeidi e le supernove come bastoncini di misurazione per le galassie.

I valori SH0ES e H0LiCOW differiscono in modo significativo dal numero di Planck di 67, rafforzando la tensione tra le misurazioni delle costanti di Hubble dell’universo moderno e il valore previsto basato sulle osservazioni dell’universo primordiale.

Una delle sfide che abbiamo superato è stata la creazione di programmi di monitoraggio dedicati attraverso COSMOGRAIL per ottenere i ritardi temporali per molti di questi sistemi di lenti quasar“, ha affermato Frédéric Courbin dell’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, leader del progetto COSMOGRAIL.

Suyu ha aggiunto: “Allo stesso tempo, sono state sviluppate nuove tecniche di modellazione di massa per misurare la distribuzione della materia in una galassia, compresi i modelli che abbiamo progettato per utilizzare l’imaging di Hubble ad alta risoluzione. Le immagini ci hanno permesso di ricostruire, ad esempio, le galassie ospiti dei quasar. Queste immagini, insieme ad ulteriori immagini di campo più ampio tratte da telescopi terrestri, ci consentono anche di caratterizzare l’ambiente del sistema di lenti, che influenza la flessione dei raggi luminosi. Le nuove tecniche di modellazione di massa, in combinazione con ritardi temporali, ci aiutano a misurare distanze precise dalle galassie“.

Nuovi obiettivi

Il team continuerà a cercare e darà seguito con nuovi obiettivi in ​​collaborazione con i ricercatori di due nuovi programmi: un programma, chiamato STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey), è alla ricerca di nuovi sistemi quasar con lenti; il secondo, chiamato SHARP (Strong-lensing in High Angular Resolution Program), utilizza l’ottica adattiva con i telescopi WM Keck per l’immagine dei sistemi con lenti. L’obiettivo del team è osservare altri 30 sistemi quasar con lenti per ridurre l’incertezza dal 2,4% all’1%.

Il prossimo James Webb Space Telescope della NASA, che dovrebbe essere lanciato nel 2021, potrebbe aiutarli a raggiungere il loro obiettivo di incertezza dell’1% molto più velocemente grazie alla capacità di Webb di mappare le velocità delle stelle in una galassia a lente, che consentirà agli astronomi di sviluppare modelli più precisi della distribuzione galattica della materia oscura.

Il lavoro del team H0LiCOW apre anche la strada allo studio di centinaia di quasar con lenti che gli astronomi stanno scoprendo attraverso il Dark Energy Survey e PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope e Rapid Response System) e l’imminente Large Synoptic Survey Telescope della National Science Foundation, che dovrebbe scoprire migliaia di fonti aggiuntive.

Inoltre, il Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) della NASA aiuterà gli astronomi a risolvere il disaccordo nel valore costante di Hubble tracciando la storia dell’espansione dell’universo. La missione utilizzerà anche più tecniche, come campionare migliaia di supernove e altri oggetti a varie distanze, per aiutare a determinare se la discrepanza è il risultato di errori di misurazione, tecnica osservativa o se gli astronomi devono modificare la teoria che ne è alla base.