Introduzione

È uno dei grandi dibattiti della cosmologia: l’universo si sta espandendo, ma a che velocità esattamente? Due misure disponibili danno risultati diversi. Il fisico della Leida, David Harvey, ha adattato un terzo metodo di misurazione indipendente, utilizzando le proprietà di deformazione della luce delle galassie previste da Einstein.

La ricerca è pubblicata su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Redshift e costante di Hubble

Sappiamo da quasi un secolo dell’espansione dell’universo. Gli astronomi hanno notato che la luce proveniente da galassie lontane ha una lunghezza d’onda inferiore a quella delle galassie vicine. Le onde luminose sembrano allungate – redshift – il che significa che quelle galassie lontane si stanno allontanando.

Questo tasso di espansione, o costante di Hubble, può essere misurato. Alcune supernove hanno una luminosità ben compresa, questo permette di stimare la loro distanza dalla terra, e di mettere in relazione tale distanza con il loro redshift. Per ogni megaparsec di distanza (un parsec è di 3,3 anni luce), la velocità con cui le galassie si allontanano da noi, aumenta di 73 chilometri al secondo.

Tuttavia, le misurazioni sempre più accurate del fondo cosmico a microonde, un residuo della luce nell’universo primordiale, hanno prodotto una costante di Hubble diversa: circa 67 chilometri al secondo.

Einstein

Com’è possibile? Perché questa differenza? Questa differenza potrebbe dirci qualcosa di nuovo sull’universo e sulla fisica? “Questo“, dice il fisico della Leiden David Harvey, “è il motivo per cui è venuta alla luce una terza misura, indipendente dalle altre due: le lenti gravitazionali“.

La teoria della Relatività Generale di Albert Einstein prevede che una concentrazione di massa, come una galassia, può piegare il percorso della luce, proprio come fa una lente. Quando una tale galassia si trova di fronte a una sorgente luminosa, la luce viene piegata intorno ad essa. Può raggiungere la Terra attraverso percorsi diversi, il che ci dà due, a volte anche quattro immagini della stessa fonte.

HoliCOW

Nel 1964, l’astrofisico norvegese Sjur Refsdal ha avuto un momento di a-ha: quando la galassia delle lenti è un po’ decentrata, una rotta è più lunga dell’altra. Ciò significa che la luce impiega più tempo per quel percorso. Così, quando c’è una variazione della luminosità del quasar, questo blip sarà visibile in un’immagine prima dell’altra. La differenza potrebbe essere di giorni, o anche di settimane o mesi.

Questa differenza di tempo, ha mostrato Refsdal, può anche essere usata per individuare le distanze del quasar e dell’obiettivo. Confrontando queste con il redshift dei quasar si ottiene una misura indipendente della costante di Hubble.

Una collaborazione di ricerca nell’ambito dell’HoliCOW ha utilizzato sei di queste lenti per restringere la costante di Hubble a circa 73. Tuttavia, ci sono delle complicazioni: a parte la differenza di distanza, anche la massa della galassia in primo piano ha un effetto ritardante, a seconda dell’esatta distribuzione della massa. “Bisogna modellare tale distribuzione, ma rimangono molte incognite”, dice Harvey. Incertezze come questa limitano la precisione di questa tecnica“.

Immaginare l’intero cielo

Questo potrebbe cambiare quando un nuovo telescopio sarà online in Cile nel 2021, dedicato all’immagine del cielo ogni poche notti. Questo Vera Rubin Observatory dovrebbe vedere migliaia di doppi quasar, offrendo la possibilità di restringere ulteriormente la costante di Hubble.

Harvey: “Il problema è: modellare tutte quelle galassie in primo piano individualmente è impossibile, computazionalmente“. Così, invece, Harvey ha progettato un metodo per calcolare l’effetto medio di una distribuzione completa fino a mille lenti. “In questo caso, le stranezze individuali delle lenti gravitazionali non sono così importanti e non è necessario fare simulazioni per tutte le lenti. Devi solo fare in modo di modellare l’intera popolazione“, dice Harvey.

Nel documento mostro che con questo approccio l’errore nelle soglie costanti di Hubble al 2 per cento, quando ci si avvicina a circa migliaia di quasar“.

Questo margine di errore permetterà un confronto significativo tra le diverse costanti di Hubble e potrebbe aiutare a capire la discrepanza. “E se si vuole andare al di sotto di questi 2 percenti, bisogna migliorare il proprio modello facendo simulazioni migliori. La mia ipotesi è che questo sia possibile“.

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