Hubble raggiunge una nuova pietra miliare nel mistero del tasso di espansione dell’universo


Questa raccolta di 36 immagini del telescopio spaziale Hubble della NASA presenta galassie che ospitano sia variabili Cefeidi che supernove. Questi due fenomeni celesti sono entrambi strumenti cruciali utilizzati dagli astronomi per determinare la distanza astronomica e sono stati usati per perfezionare la nostra misurazione della costante di Hubble, il tasso di espansione dell’universo.

Completando una maratona quasi trentennale, il telescopio spaziale Hubble della NASA ha calibrato più di 40 marcatori di distanza cosmica dello spazio e del tempo per aiutare gli scienziati a misurare con precisione il tasso di espansione dell’universo – una ricerca con un colpo di scena.


La ricerca del tasso di espansione dell’universo è iniziata negli anni ’20 del ‘900 con misurazioni degli astronomi Edwin P. Hubble e Georges Lemaitre. Nel 1998, questo ha portato alla scoperta dell’ “energia oscura”, una misteriosa forza repulsiva che accelera l’espansione dell’universo. Negli ultimi anni, grazie ai dati di Hubble e di altri telescopi, gli astronomi sono arrivati a un’altra svolta: una discrepanza tra il tasso di espansione misurato nell’universo locale rispetto alle osservazioni indipendenti subito dopo il big bang, che prevedono un diverso valore di espansione.

La causa di questa discrepanza rimane un mistero.

Ma i dati di Hubble, che comprendono una varietà di oggetti cosmici che fungono da indicatori di distanza, supportano l’idea che stia succedendo qualcosa di strano, che probabilmente coinvolge una fisica nuova di zecca.

“Si sta ottenendo la misura più precisa del tasso di espansione dell’universo dal gold standard dei telescopi e degli indicatori di miglia cosmiche“, ha detto il premio Nobel Adam Riess dello Space Telescope Science Institute (STScI) e della Johns Hopkins University di Baltimora, Maryland.

Riess conduce una collaborazione scientifica che studia il tasso di espansione dell’universo chiamato SH0ES, che sta per Supernova, H0, per l’equazione dello stato dell’energia oscura. “Questo è ciò per cui è stato costruito il telescopio spaziale Hubble, usando le migliori tecniche che conosciamo per farlo. Questa è probabilmente la magnum opus di Hubble, perché ci vorrebbero altri 30 anni della vita di Hubble per raddoppiare anche questa dimensione del campione“, ha detto Riess.

L’articolo del team di Riess, che sarà pubblicato nel numero Special Focus di The Astrophysical Journal, riporta il completamento del più grande e probabile ultimo importante aggiornamento sulla costante di Hubble. I nuovi risultati più che raddoppiano il precedente campione di marcatori di distanza cosmica. Il suo team ha anche rianalizzato tutti i dati precedenti, con l’intero set di dati che ora include oltre 1.000 orbite di Hubble.

Quando la NASA concepì un grande telescopio spaziale negli anni ’70, una delle giustificazioni principali per le spese e lo straordinario sforzo tecnico era quella di essere in grado di risolvere le Cefeidi, stelle che si illuminano e si affievoliscono periodicamente, viste all’interno della nostra Via Lattea e delle galassie esterne. Le cefeidi sono state a lungo il gold standard dei marcatori di distanza cosmica da quando la loro utilità è stata scoperta dall’astronoma Henrietta Swan Leavitt nel 1912. Per calcolare distanze molto maggiori, gli astronomi usano stelle che esplodono chiamate supernove di tipo Ia.

Combinati, questi oggetti hanno costruito una “scala di distanza cosmica” in tutto l’universo e sono essenziali per misurare il tasso di espansione dell’universo, chiamata costante di Hubble. Questo valore è fondamentale per stimare l’età dell’universo e fornisce una prova di base della nostra comprensione dell’universo.

A partire da subito dopo il lancio di Hubble nel 1990, la prima serie di osservazioni delle stelle di Cefeide per perfezionare la costante di Hubble è stata intrapresa da due team: l’HST Key Project guidato da Wendy Freedman, Robert Kennicutt, Jeremy Mould e Marc Aaronson, e un altro di Allan Sandage e collaboratori, che ha usato Cefeidi come marcatori di milepost per perfezionare la misurazione della distanza dalle galassie vicine. All’inizio degli anni 2000 i team hanno dichiarato “missione compiuta” raggiungendo una precisione del 10 percento per la costante di Hubble, 72 più o meno 8 chilometri al secondo per megaparsec.

Nel 2005 e di nuovo nel 2009, l’aggiunta di nuove potenti telecamere a bordo del telescopio Hubble ha lanciato “Generazione 2” della ricerca costante di Hubble mentre i team si prefissavano di perfezionare il valore con una precisione di appena l’uno per cento. Questo è stato inaugurato dal programma SH0ES. Diverse squadre di astronomi che usano Hubble, tra cui SH0ES, sono convergenti su un valore costante di Hubble di 73 più o meno 1 chilometro al secondo per megaparsec. Mentre altri approcci sono stati utilizzati per indagare la domanda costante di Hubble, diversi team hanno escogitato valori vicini allo stesso numero.

Il team SH0ES comprende leader di lunga data Dr. Wenlong Yuan della Johns Hopkins University, dott. Lucas Macri della Texas A&M University, dott. Stefano Casertano di STScI e il dott. Dan Scolnic della Duke University. Il progetto è stato progettato per affiancare l’universo abbinando la precisione della costante di Hubble dedotta dallo studio della radiazione cosmica di fondo a microonde rimasta dagli albori dell’universo.

La costante di Hubble è un numero molto speciale. Può essere usato per infilare un ago dal passato al presente per un test end-to-end della nostra comprensione dell’universo. Questo ha richiesto una quantità fenomenale di lavoro dettagliato“, ha detto il dott. Licia Verde, cosmologa dell’ICREA e dell’ICC-Università di Barcellona, parla del lavoro del team SH0ES.

Il team ha misurato 42 dei marcatori di milepost della supernova con Hubble. Poiché sono visti esplodere a un ritmo di circa uno all’anno, Hubble ha, a tutti gli effetti, registrato quante più supernove possibili per misurare l’espansione dell’universo. Riess ha detto: “Abbiamo un campione completo di tutte le supernove accessibili al telescopio Hubble viste negli ultimi 40 anni“. Come i testi della canzone “Kansas City”, del musical di Broadway Oklahoma, Hubble “è andato è andato più che bene!

Fisica strana?

Si prevedeva che il tasso di espansione dell’universo fosse più lento di quello che Hubble vede effettivamente. Combinando il Modello Cosmologico Standard dell’Universo e le misurazioni della missione Planck dell’Agenzia Spaziale Europea (che osservava la reliquia cosmica di fondo a microonde di 13,8 miliardi di anni fa), gli astronomi prevedono un valore inferiore per la costante di Hubble: 67,5 più o meno 0,5 chilometri al secondo per megaparsec, rispetto alla stima del team SH0ES di 73.

Data la grande dimensione del campione di Hubble, c’è solo una possibilità su un milione che gli astronomi abbiano torto a causa di un’attrazione sfortunata, ha detto Riess, una soglia comune per prendere sul serio un problema in fisica. Questa scoperta sta complicando quello che stava diventando un quadro bello e ordinato dell’evoluzione dinamica dell’universo. Gli astronomi non sono in grado di spiegare la disconnessione tra il tasso di espansione dell’universo locale e l’universo primordiale, ma la risposta potrebbe comportare un’ulteriore fisica dell’universo.

Tali scoperte confondenti hanno reso la vita più eccitante per cosmologi come Riess. Trent’anni fa hanno iniziato a misurare la costante di Hubble per confrontare l’universo, ma ora è diventato qualcosa di ancora più interessante. “In realtà, non mi interessa quale sia specificamente il valore di espansione, ma mi piace usarlo per conoscere l’universo“, ha concluso Riess.

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